(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的凹凸を表面に有し、少なくとも前記周期的凹凸の凸部が半導体で形成されている構造体と、
前記周期的凹凸の前記凸部の上面上に配置された第１の電極と、
前記周期的凹凸の凹部の底面上に配置され前記半導体と電気的に接続する第２の電極と、
を有し、
前記第１および第２の電極の表面に入射光が照射され、前記第１および第２の電極の周期構造によって励起した表面プラズモン共鳴による光エネルギーが前記第１の電極と前記第２の電極との間に閉じ込められ、前記第１および第２の電極と前記周期的凹凸の前記凸部での前記半導体との界面近傍に近接場光が生じ、前記周期的凹凸の前記凸部での前記半導体に形成された空乏層において前記近接場光が吸収されて電子正孔対を発生させる、フォトダイオードであって、
前記入射光の波長をλとし、前記半導体の屈折率をｎsとし、前記周期的凹凸の周期をＰとし、前記周期的凹凸における高さ方向での前記第１の電極と前記第２の電極の電極間距離をｄとして、以下の条件［１］〜［９］：
［１］  ０．１２＜ｎsＰ／λ＜０．４７かつｎsｄ／λ＜０．３５；
［２］  ０．１２＜ｎsＰ／λ＜０．４４かつ０．６５＜ｎsｄ／λ＜１．１５；
［３］  ０．１２＜ｎsＰ／λ＜０．４４かつ１．４８＜ｎsｄ／λ＜１．９８；
［４］  ０．８０＜ｎsＰ／λ＜０．９０かつ０．４４＜ｎsｄ／λ＜０．６４；
［５］  ４．２８＜２ｎsＰ／λ＋ｎsｄ／λ＜４．６０かつ１．０８＜ｎsｄ／λ＜１．４８；
［６］  １．３７＜ｎsＰ／λ＜１．７０かつｎsｄ／λ＜０．２０；
［７］  １．７０＜ｎsＰ／λ＜１．９５かつ０．１２＜ｎsｄ／λ＜０．５０；
［８］  ３．２４＜ｎsＰ／λ＋ｎsｄ／λ＜３．５０かつ１．７６＜ｎsＰ／λ＜２．２５；および
［９］  ２．４５＜ｎsＰ／λ＜２．５２かつ１．８０＜ｎsｄ／λ＜１．９
のいずれかが成立するフォトダイオード。
【請求項２】
周期的凹凸を表面に有し、少なくとも前記周期的凹凸の凸部が半導体で形成されている構造体と、
前記周期的凹凸の前記凸部の上面上に配置された第１の電極と、
前記周期的凹凸の凹部の底面上に配置され前記半導体と電気的に接続する第２の電極と、
を有し、
前記第１および第２の電極の表面に入射光が照射され、前記第１および第２の電極の周期構造によって励起した表面プラズモン共鳴による光エネルギーが前記第１の電極と前記第２の電極との間に閉じ込められ、前記第１および第２の電極と前記周期的凹凸の前記凸部での前記半導体との界面近傍に近接場光が生じ、前記周期的凹凸の前記凸部での前記半導体に形成された空乏層において前記近接場光が吸収されて電子正孔対を発生させる、フォトダイオードであって、
前記入射光の波長をλとし、前記半導体の屈折率をｎsとし、前記周期的凹凸において前記周期的凹凸の周期の方向に沿った前記第１の電極と前記第２の電極との間の間隙の幅をＷとして、ｎsＷ／λ＜０．２を満たす、フォトダイオード。
【請求項３】
周期的凹凸を表面に有し、少なくとも前記周期的凹凸の凸部が半導体で形成されている構造体と、
前記周期的凹凸の前記凸部の上面上に配置された第１の電極と、
前記周期的凹凸の凹部の底面上に配置され前記半導体と電気的に接続する第２の電極と、
を有し、
前記第１および第２の電極の表面に入射光が照射され、前記第１および第２の電極の周期構造によって励起した表面プラズモン共鳴による光エネルギーが前記第１の電極と前記第２の電極との間に閉じ込められ、前記第１および第２の電極と前記周期的凹凸の前記凸部での前記半導体との界面近傍に近接場光が生じ、前記周期的凹凸の前記凸部での前記半導体に形成された空乏層において前記近接場光が吸収されて電子正孔対を発生させる、フォトダイオードであって、
受光面における前記第１の電極または前記第２の電極で覆われている部分の割合を被覆率Ｒとして、Ｒ≧０．８を満たす、フォトダイオード。
【請求項４】
前記構造体は前記半導体からなり、前記半導体の表面の凹凸形状として前記周期的凹凸が形成されている、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】
前記構造体は、絶縁層と、前記絶縁層の表面上に前記凸部として設けられる前記半導体とを有する、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６】
前記第１および第２の電極がそれぞれ前記半導体とショットキー接合を形成し、ＭＳＭ型フォトダイオードとして構成された、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項７】
前記第１および第２の電極のいずれか一方が前記半導体と接する部位でショットキー接合を形成し、前記第１または第２の電極のもう一方が前記半導体と接する部位でオーミック接合を形成し、ショットキー型フォトダイオードとして構成された、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項８】
前記半導体がｐ型半導体およびｉ型半導体およびｎ型半導体の積層構造を有し、前記第１の電極が前記ｐ型半導体およびｎ型半導体のいずれか一方と接し、前記第２の電極が前記ｐ型半導体およびｎ型半導体のもう一方と接し、ｐｉｎ型フォトダイオードとして構成された、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項９】
前記第１および第２の電極の一方あるいは両方と、前記半導体との間に薄い絶縁体層が設けられトンネル接合を形成している、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１０】
前記周期的凹凸の凸部の断面形状の少なくとも一部分が、上部よりも細くなっている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１１】
請求項４に記載のフォトダイオードの製造方法であって、
半導体表面に周期的凹凸を形成する工程と、
前記周期的凹凸上に導電膜を形成する工程と、
前記周期的凹凸の凸部の側壁に付着した導電膜を取り除くことにより、前記導電膜の前記周期的凹凸の凸部上に形成された部分と前記周期的凹凸の凹部に形成された部分とを分離し、前記周期的凹凸の凸部に配置された第１の電極と前記周期的凹凸の凹部に配置された第２の電極とを得る電極形成工程と、
を有するフォトダイオードの製造方法。
【請求項１２】
前記電極形成工程において、ウェットエッチング加工を用いて前記周期的凹凸の凸部の側壁に付着した導電膜を取り除く、請求項１１に記載のフォトダイオードの製造方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか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１４】
請求項１乃至１０のいずれか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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードとその製造方法に関し、特に情報処理および通信分野において必要となる、赤外、可視および紫外を含む光の信号を高速に電気信号へ変換するフォトダイオードとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号を電気信号に高速変換するために、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。フォトダイオードには、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、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】
高速応答が可能なフォトダイオードの１つにＭＳＭ型があり、これは、情報処理およ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。このＭＳＭ型フォトダイオードは、一般に、２つの電極付近にそれぞれショットキー障壁を持った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、櫛型の構造を有する電極を用いることにより、低電圧で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。
【０００４】
近年、金属表面プラズモンを利用してＭＳＭ型フォトダイオード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。
【０００５】
例えば、特許文献１に記載されている光電子カプラにおいては、平坦な半導体表面上に周期的に並ぶ交差指型の金属電極を正極と負極が入れ子になって向かい合うように配置するデバイス構造が用いられている。このデバイス構造の斜視図を図３１に、図３１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を図３２に示す。この特許文献１では、入射光と表面プラズモン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ている。図３２に示すように第１の電極１および第２の電極２を周期的に配置することで、入射光と電極金属表面の表面プラズモンとを結合させて、第１の電極１および第２の電極２と半導体層３との界面に増強された近接場光を発生させることができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のＭＳＭ型フォトダイオードでは、十分な量子効率が得られない。十分な量子効率が得られないことの理由として、特許文献１のフォトダイオードは光エネルギーの閉じ込め構造を持たないため、入射光が空乏層で吸収されずに透過光として散逸してしまう割合が高いことが挙げられる。すなわち、入射光と表面プラズモンとの共振状態を形成することで、増強された近接場光を半導体内部に発生させることはできるものの、光エネルギーの閉じ込め構造を持たないため、半導体内部を伝わっていく伝播光に対して表面プラズモンが結合しやすくなり、そのため、空乏層で吸収されずに透過光となってしまう成分が多くなる。また、特許文献１に記載の構造では、平坦な半導体表面上に金属電極を設けているが、電極間のギャップ（間隙部分）には半導体の空乏層がないので、このギャップの位置に発生する近接場光成分を空乏層で吸収させることができない。このことは、発生した近接場光のうち有効に利用できない成分があることを意味し、その分、量子効率の低下をもたらす。
【０００７】
さらに、特許文献１に記載のＭＳＭ型フォトダイオードでは、半導体表面から比較的深い領域で生成されるキャリアの寄与が比較的大きいので、十分な応答速度が得られない。上述したように、特許文献１の構造では、透過光成分が多いために半導体表面から離れた深い領域で多くのキャリアが生成されるが、このような深い領域では電界が弱いためキャリアの走行時間が長くなる。このため、受光素子の高速応答を妨げられる。
【０００８】
特許文献２には、共振構造となるように絶縁層上にＭＳＭ型フォトダイオードを設けるとともに、表面プラズモン・モードの共鳴を起こすことで光の強度を増大させることができる光検出装置が開示されている。特許文献２は、さらに、受光部分の下部にブラッグ反射鏡を設けて量子効率を高めることを述べている。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載のＭＳＭ型フォトダイオードでも、効率のよい光エネルギーの閉じ込め構造が設けられていないので、入射光が空乏層で吸収されずに透過光となる割合が高くなり、十分な量子効率が得られない。光吸収層の下に絶縁層を設けた共振構造を採用することによって、入射光のうち透過光となる成分を減らすことはできるが、それでもなお十分な光エネルギーの閉じ込め効果を得られないので、半導体内部を伝わっていく伝播光に対して表面プラズモンが結合し、その結果、入射光における空乏層で吸収されずに透過光となる成分の割合が多くなる。さらに特許文献２のフォトダイオードは、受光層の下部にブラッグ反射鏡を設けた場合に、量子効率を改善することはできるものの、製造プロセスが増加し、また、受光素子の厚みが大きくなるため、量産化および高集積化が困難となる。
【００１０】
特許文献３は、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であって、入射光波長より小さな直径を有する穴とその穴を中心とした周期的な凸凹を表面に有する導電膜を半導体上に設けることで表面プラズモンの共鳴状態を生成し、増強される近接場光を介して光電変換を行うフォトダイオードを開示している。
【００１１】
特許文献３に記載のものでは、入射光による表面プラズモン共鳴によって、入射光波長より小さな直径を有する穴の位置に近接場光を発生させるため、半導体層において光電変換が起こる位置を極めて狭い位置に限定することができ、光キャリアの走行距離を小さくすることができて、高速応答を可能にする。しかしながらこのフォトダイオードも、光エネルギーの閉じ込め構造を持っていないので、透過光として散逸する成分を無視できず、効率を改善する余地が残されている。また、特許文献３の記載のフォトダイオードでは、半導体層側の光吸収層の位置と導電膜の穴の位置とを正確に位置決めする必要があり、製造プロセスが複雑になる、という問題点もある。
【００１２】
表面プラズモンの共鳴状態を生成するためには、受光面の表面に周期的な凹凸を形成するのが有効であるが、表面プラズモンの共鳴状態を利用しないフォトダイオードであっても、受光面の表面に周期的な凹凸が形成されたものがある（例えば、特許文献４〜６）。特許文献４に記載のものでは、受光素子としてＭＳＭ型フォトダイオードを用い、受光素子からの受光電流を増幅する増幅素子としてＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）を用い、これらの受光素子と増幅素子とを一体化させて集積化させている。そのため、受光素子部が凸部となるように、受光面の表面に周期的な凹凸が形成されている。特許文献５には、偏光成分を検出できるように、ストライプ状の周期的凹凸構造を半導体基板の表面に形成し、周期的凹凸構造の凸部の上面にアノード電極を設け、半導体基板の裏面側にカソード電極を設けた受光素子が開示されている。特許文献６には、ＭＳＭ構造の受光素子において、暗電流を抑制しつつ受光効率および応答速度を向上させるために、周期的凹凸構造が形成されるように、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなる疑似障壁層を光吸収層上に形成し、疑似障壁層上にアノード電極を、隣接する疑似障壁層間の位置で光吸収層上にカソード電極を配置することを開示している。これらの特許文献４〜６に開示された受光素子あるいはフォトダイオードでは、受光面の表面に形成されている電極によって半導体層内への光の進入が妨げられるため、受光効率の向上という観点からは、電極面積を小さくすることが求められている。また、特許文献４〜６に開示された構造では、高速応答のために光吸収層の厚みを小さくすれば、入射光のうちの光吸収層を透過する成分が増えて量子効率（感度）が低下し、また、感度の向上を目指して光吸収層を厚くすれば、その分、キャリアの走行距離も増えて応答速度が低下する。
【特許文献１】特表平１０−５０９８０６号公報  （第２６−３３頁、図１）
【特許文献２】特表２００３−５２０４３８号公報  （第１４−１９頁、図１〜３）
【特許文献３】ＷＯ２００５／０９８９６６  （図１）
【特許文献４】特開平６−１３２５１１号公報
【特許文献５】特開平９−２４６５８６号公報
【特許文献６】特開平１１−３４０４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、表面プラズモン共鳴を用いない受光素子またはフォトダイオードでは、そもそも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問題点がある。表面プラズモン共鳴を用いて高速化・高効率化を図ったフォトダイオードにおいても、入射光のうち光電流に寄与しないで透過してしまう成分を無視することができず、量子効率の向上の余地が残されている。
【００１４】
そこで本発明の第１の目的は、さらなる高効率と高速応答とを両立させたフォトダイオードを提供することにある。
【００１５】
本発明の別の目的は、量産化および高集積化が容易なフォトダイオードおよびその製造方法を提供にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のフォトダイオードは、周期的凹凸を表面に有し、少なくとも周期的凹凸の凸部が半導体で形成されている構造体と、周期的凹凸の凸部の上面上に配置された第１の電極と、周期的凹凸の凹部の底面上に配置され半導体と電気的に接続する第２の電極と、を有する。
【００１７】
このようなフォトダイオードでは、周期的凹凸の凸部と凹部にそれぞれ形成された第１および第２の電極も、周期的な立体構造を持って配置されることになる。電極は当然のことながら導電膜で形成されるので、結局、導電膜による周期的凹凸構造が構造体の表面に形成されたこととなり、これらの周期的かつ立体的に配置された電極は、入射光と表面プラズモンを結合させて共鳴状態を形成する役割を果たす。その結果、電極と半導体との界面近傍に強い近接場光が発生する。この近接場光は、半導体内の空乏層において電子・正孔対を発生させることによって光起電力を生ずる。
【００１８】
さらに、本発明のフォトダイオードでは、上述したように周期的凹凸上に周期的かつ立体的に電極が配置されているので、第１および第２の電極の近傍および周期的凹凸の凸部の位置に、表面プラズモン励起による光エネルギーを閉じ込める構造が得られて、透過光を減らすことが可能となる。具体的には、周期的凹凸の上方から入射光が到来すると、周期的凹凸の凸部にある第１の電極および凹部にある第２の電極によって、特に入射側にある第１の電極によって共鳴表面プラズモンが発生する。また、入射光が周期的凹凸の凹部の底面にある第２の電極にあたると、この入射光は第１の電極側に反射され、第１の電極でさらなる共鳴表面プラズモンが発生する。このようにして本発明によれば、周期的凹凸の凸部にある第１の電極と凹部にある第２の電極との間に光エネルギーが閉じ込められることになる。この構造では、周期的凹凸の凸部は半導体で構成されており、この凸部の部分はフォトダイオードにおける空乏層として機能する。上述のように表面プラズモン共鳴が励起され、入射光の光エネルギーが閉じ込められることにより、本発明のフォトダイオードでは、光電変換を行う空乏層（すなわち周期的凹凸における凸部）内に、強い近接場光を発生させることができる。
【００１９】
したがって本発明のフォトダイオードでは、周期的凹凸が形成されている位置に光エネルギーが閉じ込められるので、高い量子効率を得ることができる。加えて、表面プラズモンにより電極表面近傍に発生する近接場光によって大部分のキャリアが発生するので、半導体層の深い領域で生成されて高速応答を妨げるキャリアの寄与を減らすことができ、高速な応答速度を得ることができる。
【００２０】
このような本発明のフォトダイオードの一例は、構造体の全体が半導体から構成されたもの、すなわち、表面に周期的凹凸が形成された半導体と、周期的凹凸の凸部の上面上に配置された第１の電極と、周期的凹凸の凹部の底面上に配置された第２の電極と、を有するものである。あるいは、別の例では、例えば埋め込み酸化膜などの絶縁層上に、周期的凹凸の凸部として設けられた半導体を有し、半導体の上面すなわち凸部の上面上に第１の電極が形成され、絶縁層の表面すなわち周期的凹凸の凹部の底面上に、凸部を構成する半導体に電気的に接続するように第２の電極が形成されている。
【００２１】
本発明のフォトダイオードでは、周期的かつ立体的に配置された電極によって、表面プラズモン共鳴が励起されるとともに光の閉じ込め構造が実現される。このような効果を得るためには、周期的凹凸の周期Ｐ、周期的凹凸における高さ方向での第１の電極と第２の電極の電極間距離ｄ、さらには各電極のサイズなどに関して、好ましい値が存在する。どのような値が好ましいかについては後述するが、一般的にいえば、表面プラズモン共鳴を励起し光を閉じ込めるために、周期的凹凸の凸部の上面に占める第１の電極の形成面積の割合、および凹部の底面に占める第２の電極の形成面積の割合は、いずれも大きい方が好ましい。この点は、表面プラズモン共鳴を用いない従来の受光素子においては特に光の入射側に配置される電極の面積を小さくすべきであることと比べ、本発明の大きな特徴である。
【００２２】
本発明のフォトダイオードにおいて、第１および第２の電極を構成する材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなどを用いることができる。また、半導体としては、Ｓｉ、ＳｉxＧｅ1-x（ただし、０＜ｘ＜１）、Ｇｅ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＰなどを用いることができる。電極材料と半導体との組み合わせに関して言えば、紫外領域のフォトダイオードを構成するためには、電極としてＡｌを用い、半導体としてＳｉを用いることが好ましい。可視光領域から波長が８５０ｎｍ程度以下の近赤外領域のフォトダイオードを構成するためには、電極としてＡｇを用い、半導体としてＳｉを用いることが好ましい。それより波長が長い領域、例えば、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯の光を検出するフォトダイオードを構成するためには、電極としてＡｇまたはＡｕを用い、半導体としてＳｉＧｅあるいはＧｅを用いることが好ましい。
【００２３】
本発明のフォトダイオードの製造方法は、半導体表面に周期的凹凸を形成する工程と、周期的凹凸上に導電膜を形成する工程と、周期的凹凸の凸部の側壁に付着した導電膜を取り除くことにより、導電膜の周期的凹凸の凸部上に形成された部分と周期的凹凸の凹部に形成された部分とを分離し、周期的凹凸の凸部に配置された第１の電極と周期的凹凸の凹部に配置された第２の電極とを得る電極形成工程と、を有する。
【００２４】
このように本発明のフォトダイオードは、比較的簡単な製造工程により容易に作製することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、少なくとも周期的凹凸の凸部を半導体で構成し、第１および第２の電極の近傍および周期的凹凸の凸部に光エネルギーを閉じ込め、光電界強度が最大となる領域と光電変換を行う空乏層領域とを一致させることで、高効率と高速応答を両立したフォトダイオードを提供することができるという効果を有する。また、このようなフォトダイオードは、比較的簡便なデバイス構造を有するので、本発明によれば、製造プロセス数を減らし、量産化および高集積化が容易なフォトダイオードおよびその製造方法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】
【００２６】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードの斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００２８】
基板４上に半導体層３が設けられており、半導体層３の表面には周期的凹凸構造８が設けられている。この周期的凹凸構造８の凸部の上面上には第１の電極１が、凹部の底面上には第２の電極２がそれぞれ設けられている。この第１および第２の電極１，２が半導体層３と接する部位にショットキー接合が形成され、このフォトダイオードはＭＳＭ型となる。第１の電極１および第２の電極２は、負荷抵抗５やバイアス電源６などの周辺回路と接続される。図示したものでは、第１の電極１に負荷抵抗５の一端が接続し、バイアス電源６の正極と負荷抵抗５の他端が接続し、バイアス電源６の負極が第２の電極２に接続している。ここでの周期的凹凸構造８は、ストライプ状に凸部と凹部とが交互に配列したものであり、半導体層３の表面における凸部部分が櫛型に形成されていることによって第１の電極１も櫛型に形成され、この第１の電極１の櫛の歯の部分と交互にかみ合うようにして、半導体層３の表面における凹部部分に櫛型に第２の電極２が形成されている。すなわち、第１の電極１と第２の電極２とは、周期的凹凸構造での凸部にあるか凹部にあるかを別にすれば、交差指型（interdigital型）の電極構造を有することになる。
【００２９】
なお図２に示すように、以下の説明において、周期的凹凸構造８における周期をＰとし、周期的凹凸構造８における高さ方向での第１の電極１と第２の電極２の電極間距離をｄとし、周期的凹凸構造８において周期的凹凸の周期の方向（凸部が繰り返す方向）に沿った第１の電極１と第２の電極２との間の間隙の幅をＷとする。ここでは、ストライプ状に凸部と凹部とが交互に配列しているので、周期Ｐは、凸部（あるいは凹部）の繰り返しの周期ということになる。電極間距離ｄは、厳密に言えば、凸部にある第１の電極１の下面と、凹部にある第２の電極２の上面との垂直距離である。電極間隙Ｗは、隣接する第１の電極１と第２の電極２の対向する辺相互の、周期的凹凸構造８による段差を無視した、水平方向での間隔を表わしている。
【００３０】
このようなフォトダイオードでは、図１や図２に示すように、入射光７は、周期的凹凸構造８の上方から入射する。ここで周期的凹凸構造８の上に周期的に第１の電極１および第２の電極２が配置されているので、入射光７は第１の電極１および第２の電極２における表面プラズモンと結合し、周期構造によって表面プラズモンとの共鳴状態をつくる。特に、第１の電極１において、共鳴表面プラズモンが強く発生する。この共鳴状態の生成によって、第１の電極１および第２の電極２と周期的凹凸構造８の凸部での半導体層３との界面近傍に、強い近接場光が発生する。一方、第１の電極１および第２の電極２は上述したように半導体層３とショットキー接合しており、そのため、第１の電極１および第２の電極２近傍、すなわち、周期的凹凸構造８の凸部の位置で半導体層３にはショットキー障壁に伴う空乏層が形成される。共鳴表面プラズモンによる強い近接場光は、周期的凹凸構造８の凸部内にこのように形成された空乏層において、電子・正孔対を発生させ、光起電力を生じさせる。その結果、負荷抵抗５およびバイアス電源６からなる周辺回路に光電流が流れ、入射光７の強度は負荷抵抗５の両端の電位差に変換されることになる。
【００３１】
第１の電極１および第２の電極２の材料としては、導電性の金属を用いることが好ましい。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。しかし、これらの金属に限定されるものではなく、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を用いてもよい。上記の第１の電極１および第２の電極２に用いる金属と半導体層３を構成する半導体との密着性が悪い場合は、密着層（下地層）としてＴｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｉなどをこれらの電極の下に設けることもできる。この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、第１の電極１と第２の電極２とは異なる金属で構成されてもよいが、同じ金属で構成する方が製造方法がより簡単であり好ましい。第１の電極１および第２の電極２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。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あるいはＳｉＯＮなどが特に好ましい。
【００３２】
半導体層３の材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉxＧｅ1-xなどのIV族元素半導体、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＰなどのＧａＡｓ系およびＩｎＰ系のIII−Ｖ族化合物半導体を用いることができる。半導体層３は複数の半導体材料の積層構造からなっていても良く、フォトダイオードを作製する基板４または入射光７の波長によって最適な材料を選ぶことができる。例えば入射光７の波長が１５５０ｎｍまたは１３１０ｎｍである場合、受光材料として化合物半導体またはＧｅ、ＳｉxＧｅ1-xを用いることができる。また、例えば入射光７の波長が８５０ｎｍである場合、この波長帯では化合物半導体またはＧｅ、ＳｉxＧｅ1-xに加えて、Ｓｉを受光材料に用いることができる。基板４としては、一般に光デバイスに用いられているものであれば、任意のものを使用することができ、例えば、Ｓｉ基板、Ｇｅ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、サファイア基板などを用いることができる。
【００３３】
また、半導体層３としてｎ型半導体を用いた場合、多数キャリアである電子によってＭＳＭ型フォトダイオードが動作するが、ｐ型半導体を用いて正孔を多数キャリアとして動作するＭＳＭ型フォトダイオードとしても良く、限定されるものではない。より高速なフォトダイオードの応答を得るためには、ｎ型半導体を用いて、一般的に正孔よりも移動度の大きい電子を多数キャリアとするのが好ましい。
【００３４】
図１では、周期的凹凸構造８における凸部の側壁部を除き、受光面の全面が、第１の電極１および第２の電極２により覆われている実施形態を示したが、受光面の少なくとも一部分が、第１の電極１または第２の電極２によって覆われていればよい。図３１に示した従来のＭＳＭ型フォトダイオードでは。電極により覆われている受光面の割合（被覆率Ｒと呼ぶ）は通常５０％程度であるが、本発明のフォトダイオードでは受光面の７０％程度以上が第１の電極１または第２の電極２によって覆われている場合に光エネルギーの閉じ込め効果が得られ、好ましい。例えば、凸部の上面の全面および凹部の底部の半分程度が覆われている場合でも光エネルギーの閉じ込め効果が得られる。このとき、受光面の７５％程度が電極により覆われていることになる。受光面の８０％以上が電極により覆われていることが好ましく、受光面のほぼ全面、９０％程度以上が第１の電極１または第２の電極２によって覆われている場合に、表面プラズモンによる光エネルギーの顕著な閉じ込め効果が得られ、特に好ましい。ここで受光面とは、周期的凹凸構造８の凸部の上面および凹部の底面のうち光が入射する部分を指す。受光面のうち第１の電極１または第２の電極２で覆われている部分の割合すなわち被覆率Ｒの算出に際しては、受光面を真上から見たときに、見かけ上、電極が形成されている部分の面積を、見かけ上の受光面の面積で割ったものを被覆率Ｒとする。すなわち、周期的凹凸構造８を平滑化して得られる平面を考え、この平面に受光面と各電極１、２とを投影したときに、投影後の受光面の面積に対する投影後の電極の面積が、被覆率Ｒとなる。
【００３５】
また、周期的凹凸構造８の凸部の側面の一部分が、第１の電極１または第２の電極２によって覆われていてもよい。このとき、第１の電極１と第２の電極２が短絡しない構造であることが必要である。
【００３６】
図３は、電極間隙Ｗとフォトダイオードに対する入射光の反射率および透過率との関係をシミュレーションによって求めた結果を示したものである。ここでは、半導体としてＳｉが使用され、電極としてＡｇが使用されており、入射光７の波長λが８５０ｎｍ、周期Ｐが４６０ｎｍ、電極間距離ｄが９０ｎｍであるものとした。電極も含めて周期的凹凸構造８の全体が、保護膜であるＳｉＯ2膜が設けられているものとした。計算においては、半導体（ここではＳｉ）の屈折率ｎsを３．４とした。反射率は、入射光７のうち、電極表面で反射されて入射方向に戻ってくる光の割合であり、透過率は、入射光７のうち、光吸収層で吸収されることなく基板４側に透過してしまう光の割合である。図３では、反射率と透過率の和（反射率＋透過率）も示されているが、反射率と透過率の和が小さい場合に、入射光７が周期的凹凸構造８内によく閉じ込められて半導体３により多く吸収されていることになるので、高い量子効率が得られることになる。図３では、横軸として、電極間隙Ｗをλ／ｎsで割った値ｎsＷ／λを用いている。
【００３７】
図３から、ｎsＷ／λ＜０．２のときに反射率と透過率の和が小さくなり、表面プラズモン共鳴による光エネルギーの閉じ込め効果が得られていることが分かる。より好ましくは、反射率と透過率の和を２０％程度以下にするためには、ｎsＷ／λ＜０．１の関係を満たすのが好ましい。
【００３８】
受光面の電極による被覆率Ｒについては、ストライプ状に電極が形成されている第１の実施形態の場合には明らかにＲ＝（Ｐ−２Ｗ）／Ｐが成り立つが、この式に基づくと、Ｒ≧０．８のときに表面プラズモン共鳴による光エネルギーの閉じ込め効果が得られ、Ｒ＞０．９のときに反射率と透過率の和を２０％程度以下にすることができる。
【００３９】
次に、周期的凹凸構造８の周期Ｐと電極間距離ｄについての好ましい値を説明する。
【００４０】
周期的凹凸構造８の周期Ｐおよび電極間距離ｄは、第１の電極１および第２の電極２の表面に生じる表面プラズモンが入射光７と効率良く結合するように決められる。表面プラズモン共鳴状態を形成する構造であれば、周期Ｐおよび電極間距離ｄの好ましい値は、ある特定の単一の範囲内に限定されるものではなく、複数の範囲で規定されていてもよい。最適な周期Ｐおよび電極間距離ｄは互いに相関があり、第１の電極１および第２の電極２を構成する材料の誘電率、半導体層３の屈折率ｎs、電極表面に絶縁体膜が形成されている場合にはその絶縁体膜の屈折率、入射光７の波長λに依存し、非常に複雑な関係を有している。
【００４１】
図４は、周期的凹凸構造８における凹凸の周期Ｐと電極間距離ｄを変化させたときの、フォトダイオードに対する入射光の反射率と透過率の和の変化をシミュレーションによって求めた結果を示したものである。ここでは、半導体としてＳｉが使用されており、入射光７の波長λが８５０ｎｍ、周期Ｐが４６０ｎｍ、電極間距離ｄが９０ｎｍであるものとした。反射率および透過率の定義は、図３に示した場合と同様である。ここでは、横軸として周期Ｐをλ／ｎsで割った値ｎsＰ／λを示し、縦軸に電極間距離ｄをλ／ｎsで割った値ｎsｄ／λを示し、反射率と透過率の和を等高線と白黒の濃淡で表している。等高線は、０．２０、０．４０、０．６０、０．８０きざみで示している。色が濃くなっている領域は、反射率と透過率の和が小さくなっている領域を表し、表面プラズモン共鳴による強い吸収が起きていることを示している。すなわち、色が濃くなっている領域で、フォトダイオードとしての量子効率が高くなっている。
【００４２】
図４から、表面プラズモン共鳴による光エネルギーの閉じ込め効果が得られるように、反射率と透過率の和を４０％程度以下にするためには、条件［１］〜［９］：
［１］  ０．１２＜ｎsＰ／λ＜０．４７かつｎsｄ／λ＜０．３５；
［２］  ０．１２＜ｎsＰ／λ＜０．４４かつ０．６５＜ｎsｄ／λ＜１．１５；
［３］  ０．１２＜ｎsＰ／λ＜０．４４かつ１．４８＜ｎsｄ／λ＜１．９８；
［４］  ０．８０＜ｎsＰ／λ＜０．９０かつ０．４４＜ｎsｄ／λ＜０．６４；
［５］  ４．２８＜２ｎsＰ／λ＋ｎsｄ／λ＜４．６０かつ１．０８＜ｎsｄ／λ＜１．４８；
［６］  １．３７＜ｎsＰ／λ＜１．７０かつｎsｄ／λ＜０．２０；
［７］  １．７０＜ｎsＰ／λ＜１．９５かつ０．１２＜ｎsｄ／λ＜０．５０；
［８］  ３．２４＜ｎsＰ／λ＋ｎsｄ／λ＜３．５０かつ１．７６＜ｎsＰ／λ＜２．２５；
［９］  ２．４５＜ｎsＰ／λ＜２．５２かつ１．８０＜ｎsｄ／λ＜１．９６
のいずれかが満たされるようにすべきことが分かる。
【００４３】
より好ましくは反射率と透過率の和を２０％程度以下となるようにし、そのためには、以下の条件［１０］〜［１４］：
［１０］  ０．２８＜ｎsＰ／λ＜０．４０かつ０．１２＜ｎsｄ／λ＜０．２４；
［１１］  ０．２８＜ｎsＰ／λ＜０．４０かつ０．８０＜ｎsｄ／λ＜１．００；
［１２］  ０．２８＜ｎsＰ／λ＜０．４０かつ１．６４＜ｎsｄ／λ＜１．８０；
［１３］  １．７４＜ｎsＰ／λ＜１．９０かつ０．２０＜ｎsｄ／λ＜０．４４；
［１４］  ３．３３＜ｎsＰ／λ＋ｎsｄ／λ＜３．４４かつ１．８３＜ｎsＰ／λ＜１．９７
のいずれかが満たされるようにする。
【００４４】
図５は、図４に示す周期Ｐと電極間距離ｄとの関係において、電極間距離ｄを９０ｎｍと固定したときの、入射光に対する反射率、透過率、および（反射率＋透過率）の変化を示したグラフである。横軸は、周期Ｐをλ／ｎsで割った値ｎsＰ／λとなっている。図５からは、電極間距離ｄを９０ｎｍとした場合には、表面プラズモン共鳴状態を形成し反射率を小さくするために、１．５＜ｎsＰ／λ＜２．１の関係を満たすことが好ましく、反射率を２０％程度以下にするために、１．７５＜ｎsＰ／λ＜１．９０の関係を満たすことがさらに好ましいことが分かる。
【００４５】
同様に、図６は、図４に示す周期Ｐと電極間距離ｄとの関係において、周期Ｐを４６０ｎｍと固定したときの、入射光に対する反射率、透過率、および（反射率＋透過率）の変化を示したグラフである。図６からは、周期Ｐを４６０ｎｍとした場合には、表面プラズモン共鳴状態を形成し反射率を小さくするために、０．１＜ｎsｄ／λ＜０．５または１．３＜ｎsｄ／λ＜１．７の関係を満たすのが好ましく、反射率を２０％程度以下にするために、０．２０＜ｎsｄ／λ＜０．４５または１．４５＜ｎsｄ／λ＜１．６５の関係を満たすことがさらに好ましいことが分かる。
【００４６】
以上は入射光７の波長λを８５０ｎｍとして行ったシミュレーション結果に基づくものであるが、周期Ｐと電極間距離ｄの選択によって、この波長に限らず任意の波長で表面プラズモン共鳴による効果を得ることができる。上述では、周期Ｐおよび電極間距離ｄの好ましい範囲は、いずれも、半導体内における入射光の波長（λ／ｎs）で正規化した形で記載されているので、使用する入射光波長を上式のλに代入することによって、その入射光波長に適した周期Ｐおよび電極間距離ｄを求めることができる。なお、ある入射光波長に対する最適な周期Ｐおよび電極間距離ｄについては、上述と同様にシミュレーションによって電磁界計算を行うことで、より詳細な値を求めることができる。
【００４７】
本実施形態のフォトダイオードでは、周期的凹凸構造８での凹凸を繰り返す周期の数について、３回程度以上の周期の数で顕著な光エネルギーの閉じ込め効果が得られ、特に好ましい。この周期の数は、フォトダイオードに対して要求される受光面積から決めることができる。例えば、周期的凹凸構造８の周期Ｐが４６０ｎｍである場合、凹凸を繰り返す周期の数を２０回程度にすることで１０μｍ程度の幅の受光部分が得られる。なお、第１の電極１および第２の電極２の長さ（周期的凹凸構造８において周期的凹凸の周期の方向（凸部が繰り返す方向）に直角な方向への長さ）は、表面プラズモン共鳴を励起するために、下限としては入射光の波長の半分である。この長さには上限はなく、長くすればするほど、受光面積を大きくすることができる。ただし、長くしすぎると、電極に伴う浮遊容量が増えたりするので、高速応答の妨げとなる。
【００４８】
また、本実施形態のフォトダイオードは、直線状の凸部と直線状の凹部とが交互に配置した周期的凹凸構造８において表面プラズモン共鳴を励起させるものであるので、偏光依存性を有する。表面プラズモンは、入射光の電界成分のうち、周期的凹凸構造８において周期的凹凸の周期の方向（凸部が繰り返す方向）に向いた成分によって励起される。したがって本実施形態のフォトダイオードは、周期的凹凸構造の周期の方向と電界Ｅ方向とが一致するような直線偏光を有する入射光に対して最も高い感度を示し、このような直線偏光を有する信号光の検出に特に適したものである。
【００４９】
また、図１では半導体層３の表面の上部から垂直に入射光７を入射させる実施形態を示したが、斜めから入射光７を入射させてもよい。このとき、入射角が大きくなると入射光７の波数の受光面に平行な成分も大きくなるため、表面プラズモン共鳴が起きる周期的凹凸構造８の周期Ｐも大きくすることが好ましい。
【００５０】
さらに、基板側から光を入射させる裏面入射でも、図１に示す構造で同様の表面プラズモン共鳴の効果が得られるため、裏面入射型のフォトダイオードにしてもよい。このとき、入射光の波長は、基板材料が吸収を示さない波長であることが好ましい。
【００５１】
以下、第１の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードについて、実施例により説明する。
【００５２】
（実施例１）
［構造］
図７は、第１の実施形態に基づくＭＳＭ型フォトダイオードの一例の断面図である。基板４上に半導体層としてｎ型Ｓｉ層９が設けられており、ｎ型Ｓｉ層９の表面には周期的凹凸構造８が形成されている。ｎ型Ｓｉ層９の周期的凹凸表面には、いずれもＣｒ膜１２とＡｇ膜１１の積層構造からなる第１の電極１および第２の電極２が設けられている。Ｃｒ膜１２は、Ａｇ膜１１をｎ型Ｓｉ層９上に形成する際のいわゆる密着層として設けられている。基板４としては、通常のＳｉ基板が用いられている。第１の電極１および第２の電極２の表面も含めて周期的凹凸構造８の表面の全面に、保護膜あるいは反射防止膜としてＳｉＯ2層１０が設けられている。さらに、ＳｉＯ2層１０の表面には、第１の電極１および第２の電極２と負荷抵抗やバイアス電源などの周辺回路とを電気的に接続するための第１の電極パッド１３および第２の電極パッド１４が設けられている。第１の電極パッド１３は、ＳｉＯ2層１０を貫通する穴によって第１の電極１と電気的に接続し、第２の電極パッド１４は、ＳｉＯ2層１０を貫通する穴によって第１の電極２と電気的に接続している。
【００５３】
ｎ型Ｓｉ層９は、シリコン半導体に対してドナー不純物イオンを１×１０17ｃｍ-3程度注入することで得られたものである。このようなｎ型Ｓｉ層９におけるショットキー障壁による計算上の空乏層幅は、Ｓｉの場合、ドナー不純物濃度を１×１０17ｃｍ-3にすると１００ｎｍ程度になるが、近接場光は１０ｎｍ程度の領域に局在しているため、ドナー不純物濃度を上げて空乏層幅を５０ｎｍ以下にしても十分な量子効率を得られる。空乏層幅を小さくすると、キャリア走行時間が短くなるためより高速な応答を得ることが可能になる。
【００５４】
このフォトダイオードでは、図４〜図６に示したように、表面プラズモン共鳴状態を形成し反射率を小さくして量子効率を向上させるためには、入射光７の波長が８５０ｎｍである場合、周期的凹凸構造８の周期Ｐが３７５〜５２５ｎｍ、電極間距離ｄが２５ｎｍ〜１２５ｎｍまたは３２５ｎｍ〜４２５ｎｍ程度であることが好ましい。特に、周期的凹凸構造８の周期Ｐが４４０〜４７５ｎｍ、電極間距離ｄが５０ｎｍ〜１１０ｎｍまたは３６５ｎｍ〜４１０ｎｍ程度である場合に、反射率の顕著な低下が見られ、光エネルギーの強い閉じ込めを得ることができる。
【００５５】
［動作］
次に、実施例１のフォトダイオードの動作を説明する。入射光７は、周期的凹凸構造８の上に周期的に配置された第１の電極１および第２の電極２に入射する。入射光７は第１の電極１および第２の電極２における表面プラズモンと結合し、周期構造によって表面プラズモンとの共鳴状態をつくる。この共鳴状態の生成によって、第１の電極１および第２の電極２とｎ型Ｓｉ層９との界面近傍に強い近接場光が発生する。この近接場光は、第１の電極１および第２の電極２近傍のｎ型Ｓｉ層９内に生じるショットキー障壁に伴う空乏層において電子・正孔対を発生することによって光起電力を生じさせ、その結果、入射光７の強度は負荷抵抗５の両端の電位差に変換される。
【００５６】
図８Ａは電磁界計算の計算モデル図を示したものであり、図８Ｂはこの電磁界計算から求めた実施例１のフォトダイオードにおける電場強度の分布を示したものである。図８Ｂには、電場強度の分布と計算モデル図を重ねた拡大図も併記している。この電磁界計算では、半導体としてＳｉ、電極金属としてＡｇ、その上に設けられる絶縁体膜１０としてＳｉＯ2を用い、周期的凹凸構造８の凸部の幅を２６０ｎｍ、凹部の幅を２００ｎｍ、電極間距離ｄを９０ｎｍ、第１の電極１および第２の電極２の膜厚を４０ｎｍ、周期の数を１０、入射光の波長λを８５０ｎｍとしている。図８Ｂにおいて、相対的に白い部分は電場強度が大きくなっている部分を示しており、この図から、Ａｇ膜１１とｎ型Ｓｉ層９の界面に強い近接場光が発生していることが分かる。ｎ型Ｓｉ層９の凸部およびＡｇ膜１１の近傍は空乏化されており、この近接場光により空乏層内に電子・正孔対が発生し、高速応答かつ高効率のフォトダイオードが得られることが分かる。
【００５７】
図９は、図８Ａに示した電磁界計算の場合と同じフォトダイオード構造を用い、入射光波長λを変化させたときの、入射光に対する反射率、透過率、および（反射率＋透過率）の変化をシミュレーションで求めた結果を示したグラフである。反射率および透過率の定義は、図３に示した場合と同様である。波長λが８５０ｎｍであるときに表面プラズモンの強い共鳴が得られ、このとき反射率が２％程度、透過率が４％程度と非常に小さくなり、空乏層内に光エネルギーが効率よく閉じ込められていることが分かる。波長８５０ｎｍにおいては、第１の電極１および第２の電極２を構成するＡｇにおける表面プラズモンによるオーミック損失と比較して、Ｓｉの吸収係数が１０倍以上大きい。したがって、８５％以上の高い量子効率が可能となる。この構造は波長８５０ｎｍの入射光に対して最適化されたものであり、他の波長に対しても、上述したように構造すなわち周期Ｐや電極間距離ｄを最適化することで同様の効果が得られる。また、図９に示した波長依存性を用いることにより、複数の波長成分を有する入射光に対して、所望の波長の成分のみを選択的に受光することも可能である。
【００５８】
Ｓｉ中の電子のドリフト速度を１０7ｃｍ／ｓ、空乏層の厚さを１００〜２００ｎｍとすると、このフォトダイオードでは、電子のドリフト時間は１〜２ｐｓと見積られる。受光部となるＭＳＭ接合面積を１００μｍ2程度以下とした場合、接合部の電気容量は１００ｆＦ程度以下となる。負荷抵抗を５０Ωと仮定すると、回路時定数は１０ｐｓ程度以下となる。したがってこのＭＳＭ型フォトダイオードは、非常に高速な応答が可能である。
【００５９】
［製法］
次に、実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードの製造プロセスについて、図１０および図１１を参照して説明する。
【００６０】
まず、図１０（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板４を準備し、その上に、ドナー不純物元素としてＰを１×１０17ｃｍ-3程度含むｎ型Ｓｉを化学気相法でエピタキシャル成長させ、ｎ型Ｓｉ層９を形成する。次に、図１０（ｂ）に示すように、熱酸化によってｎ型Ｓｉ層９の表面の全面に厚さ５０〜１５０ｎｍのＳｉＯ2層１０を形成する。次に、図１０（ｃ）に示すように、リソグラフィーによって、周期的凹凸構造８に合わせてパターンニングされたレジスト１５をＳｉＯ2層上に設ける。この場合、周期的凹凸構造８における凸部となるべき位置にレジスト１５が残るようにする。次に、図１０（ｄ）に示すように、レジスト１５をマスクにしてドライエッチングを行って、ＳｉＯ2層１０を除去する。ドライエッチングにおける反応性ガスには、例えば、ＣＨＦ3が用いられる。この結果、周期的凹凸構造８における凹部の位置で、ＳｉＯ2層が除去されることになる。
【００６１】
次に、図１０（ｅ）に示すように、レジスト１５を有機溶剤により除去して、パターンニングされたＳｉＯ2層１０を得る。次に、図１０（ｆ）に示すように、ＳｉＯ2層１０をマスクにしてドライエッチングを行うことにより、ｎ型Ｓｉ層９をパターニングし、周期的凹凸構造８を得る。このときのドライエッチングにおける反応性ガスには、例えば、ＳＦ6が用いられる。次に、図１１（ｇ）に示すように、ＨＦを用いたウェットエッチングにより、ＳｉＯ2層１０を除去する。この結果、表面に周期的凹凸構造８が形成されたｎ型Ｓｉ層９（半導体層３）が得られることになる。
【００６２】
次に、図１１（ｈ）に示すように、真空蒸着法またはスパッタリング法により、周期的凹凸構造８が形成されたｎ型Ｓｉ層９の表面に、Ｃｒ膜１２およびＡｇ膜１１を順次成膜する。このとき、基板表面に対して垂直に成膜を行えば、周期的凹凸構造８の側面に形成される膜は、比較的薄くなる。次に、図１１（ｉ）に示すように、ウェットエッチングまたはイオンビームを用いたドライエッチングにより、周期的凹凸構造８の側面に形成されているＣｒ膜１２およびＡｇ膜１１を除去し、周期的凹凸構造８の凸部の上面上に形成されているＣｒ膜１２およびＡｇ膜１１と、凹部の底面上に形成されているＣｒ膜１２およびＡｇ膜１１とを分離し、両者間が絶縁されるようにして、第１の電極１および第２の電極２を得る。この際のウェットエッチングには、ＨＮＯ3を含んだエッチング液を用いることができる。ここでは第１の電極１および第２の電極２にＡｇを用いているが、代わりにＡｕを用いた場合、ウェットエッチングにはＫＩを含んだエッチング液を用いることができる。また、ドライエッチングには、Ａｒあるいは反応性ガスからなるクラスターをイオン化したガスクラスターイオンビームを用いることができ、モノマーのイオンビームを用いた場合に比較して低ダメージな加工プロセスが可能である。
【００６３】
次に、図１１（ｊ）に示すように、化学気相法またはスパッタリング法により、保護膜となるべきＳｉＯ2層１０を、第１の電極１および第２の電極２の上面も含めて、周期的凹凸構造８の表面の全面に成膜する。次に、図１１（ｋ）に示すように、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより、電極パッドを形成すべき部分のＳｉＯ2層１０に穴を形成する。最後に、図１１（ｌ）に示すように、ＳｉＯ2層１０に形成した穴の部分に、真空蒸着法またはスパッタリング法により導電性の金属膜を成膜して、第１の電極パッド１３および第２の電極パッド１４を形成し、フォトダイオードを得る。
【００６４】
（実施例２）
図１２に示した実施例２のＭＳＭ型フォトダイオードは、本発明の第１の実施形態に基づくものであるが、図７に示す実施例１のフォトダイオードとは、ｎ型Ｓｉ層９の上にＳｉＧｅ層１６を設けている点で異なっている。ＳｉＧｅ層１６は、ｎ型Ｓｉ層９の表面に形成された周期的凹凸構造において、凸部の上面と第１の電極１との間、および凹部の底面と第２の電極２との間に位置している。周期的凹凸構造８の側面の位置にもＳｉＧｅ層１６が設けられていてもよい。このような構造は、ＳｉＧｅ層１６は、ｎ型Ｓｉ層９の表面に周期的凹凸構造８を形成した後、ｎ型Ｓｉ層９の表面にＳｉＧｅをエピタキシャル成長させ、その後、実施例１の場合と同様に電極形成を行うことにより得られる。
【００６５】
このフォトダイオードでは、ＳｉＧｅ層１６内の空乏層に強い近接場光を発生させることで、Ｓｉでは受光感度を得られない１．３１μｍや１．５５μｍの波長帯の光を受光することができる。また、ＳｉＧｅ層１６の代わりにＧｅ層あるいは化合物半導体層を用いることによっても、同様にＳｉでは受光できない波長帯の光を吸収させることができる。
【００６６】
（実施例３）
図１３に示した実施例３のＭＳＭ型フォトダイオードは、本発明の第１の実施形態に基づくものであるが、図７に示す実施例１のフォトダイオードとは、基板４の上に埋め込み酸化層１７が設けられている点で異なっている。ｎ型Ｓｉ層９は、周期的凹凸構造８における凸部の位置にだけ設けられており、周期的凹凸構造８における凹部の位置では、埋め込み酸化層（埋め込みＳｉＯ2層）１７上に第２の電極２が直接設けられている。第２の電極２は、その側面がｎ型Ｓｉ層９に接合している。このフォトダイオードでは、ｎ型Ｓｉ層９と埋め込み酸化層１７との屈折率差による共振構造を設けることで、透過光成分をさらに減らすことが可能であり、より効率を高めることができる。すなわち、Ｓｉの屈折率がほぼ３．４であり、埋め込み酸化層１８を構成するＳｉＯ2の屈折率がほぼ１．５であるので、ファブリー・ペロー型の共振構造が得られ、ｎ型Ｓｉ層９と埋め込み酸化層１７との界面で光が反射されるようになり、入射光がｎ型Ｓｉ層９内に閉じ込められるようになる。このような効果を得るためには、ｎ型Ｓｉ層９の厚みは、Ｓｉ層中における光の波長の半分の整数倍であることが好ましい。また、埋め込み酸化層１７の上のｎ型Ｓｉ層９内においてのみキャリアが発生するので、ｎ型Ｓｉ層９の表面から深い領域で発生するキャリアを無くすことができ、より高速な応答を得ることができる。
【００６７】
このような、埋め込み酸化層１７を備えた構造は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板を用いることで得られる。また、受光材料としてＧｅを用いた場合は、ＧＯＩ(Germanium On Insulator)基板を用いることもできる。例えば、埋め込み酸化膜上にｎ型Ｓｉ層が形成されているＳＯＩ基板を用い、周期的凹凸構造の凹部となる位置のｎ型Ｓｉ層をエッチング除去し、その後、上述と同様に電極を設ければ、図１３に示したフォトダイオードを得ることができる。
【００６８】
（実施例４）
図１４は、実施例４のＭＳＭ型フォトダイオードを示しており、図１５は図１４のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。この実施例４のフォトダイオードも本発明の第１の実施形態に基づくものである。実施例４のフォトダイオードは、上述の各実施例のものとは異なって、ｎ型Ｓｉ層９に表面に同心円状の周期的凹凸構造８を備えている。
【００６９】
上述の図１に示したフォトダイオードは、櫛形の周期的凹凸構造８を備えており、上述したように、入射光の偏光に依存する性質を有する。このため、図１に示したフォトダイオードは、入射光７の偏光方向が一定の場合に適したものであって、入射光７と表面プラズモンが結合するように櫛形の周期的凹凸構造８を配置させて使用する。これに対して、図１４に示したフォトダイオードの場合には、同心円状の周期的凹凸構造８を設けることにより、全ての偏光方向の入射光７に対して表面プラズモン共鳴状態を作り出せる。したがって、実施例４のフォトダイオードは、無偏光あるいは偏光方向が変化する入射光７に対して高い光電変換効率が得られるという長所を有する。
【００７０】
（実施例５）
図１６は、実施例５のＭＳＭ型フォトダイオードを示しており、図１７は図１６のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。このフォトダイオードも、第１の実施形態に基づくものである。ｎ型Ｓｉ層９の表面には、円柱状の凸部（突起）が周期的に配列されて周期的凹凸構造８を形成し、凹部（すなわち円柱状の突起以外の部位）に第２の電極２がそれぞれ配置されている。円柱状の凸部を囲むように、第２の電極２上には絶縁体層１８が設けられている。円柱状の凸部の上面には、第１の電極１が形成されている。この場合、円柱状の凸部はその１つ１つが孤立しているので、例えば列方向に並ぶ各凸部の第１の電極１が連結するように、絶縁体層１８上にも橋架け状に第１の電極１が形成されている。円柱列は、図示されるように正方格子で周期的に並んでいてもよいし、三角格子で周期的に並んでいてもよい。このような構成では、隣接する円柱間のピッチを周期的凹凸構造における周期Ｐと定義する。このフォトダイオードでは、周期Ｐは図３〜図５を用いて説明したものと同様の値とする。また、円柱状の突起の直径は、例えば、周期Ｐの半分程度とする。絶縁体層１８を構成する材料としては、成膜が容易でかつ安定した膜が得られるものが用いられ、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどを用いることができる。
【００７１】
このようなフォトダイオードは、円柱列が形成されるようにｎ型Ｓｉ層９をパターニングして周期的凹凸構造を形成し、次に、第２の電極２となるべき導電膜を成膜し、円柱の側面の導電膜を除去した後、円柱状の凸部がほぼ隠れるように第２の電極２上に絶縁体層１８を形成し、その後、絶縁体層１８をエッチバックして円柱状の凸部の上面を露出させ、第１の電極１をパターニングして設けることにより、形成することができる。
【００７２】
本実施例のフォトダイオードは、フォトダイオードの静電容量が小さくなるので、広い受光面積を有するにも関わらず高速な応答が得られるという長所を有する。なお、このフォトダイオードでは、円柱状の凸部の代わりに角柱状の凸部を用いてもよい。
【００７３】
（第２の実施形態）
図１８は、本発明の第２の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードを示している。図１８に示すフォトダイオードは、図２に示す第１の実施形態のものと同様のものであるが、周期的凹凸構造８の凸部の少なくとも一部分が、第１の電極１と接している上部と比較して細くなっている点で、第１の実施形態のものと相違している。図１８に示したものでは、凸部の断面形状が逆台形となっている。このような構造は、フォトダイオード製造時に、第１の電極１と第２の電極２とが短絡し難くなるという長所を有する。
【００７４】
図１８に示す構造は、ｎ型Ｓｉ層９に対してドライエッチング処理を行って周期的凹凸構造を形成する際に、例えば、Ｂｏｓｃｈプロセスと呼ばれる、Ｃ4Ｆ8ガスでＳｉの側壁を保護しながらＳＦ6ガスでＳｉをエッチングする処理を使用し、このＢｏｓｃｈプロセルの途中でエッチングガスであるＳＦ6の比率を高くすることによって得られる。
【００７５】
（実施例６）
図１９に示した実施例６のＭＳＭ型フォトダイオードは、本発明の第２の実施形態に基づくものである。このフォトダイオードでは、周期的凹凸構造８の凸部の形状が、基板４側の相対的に幅が狭い部分と、上面側の相対的に幅が広い部分との２段構造となっており、断面形状はＴ字型になっている。この構造は、周期的凹凸構造８を作製するときに、２段階のエッチングを行うことで得られる。
【００７６】
（実施例７）
図２０に示した実施例７のＭＳＭ型フォトダイオードは、本発明の第２の実施形態に基づくものである。このフォトダイオードでは、周期的凹凸構造８の凸部の形状が下部がくびれており、凸部の断面形状がワイングラス型となっている。この構造は、周期的凹凸構造８を作製するときに、２段階のエッチングを行うことで得られる。
【００７７】
（第３の実施形態）
図２１は、本発明の第３の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードを示している。図２１に示すフォトダイオードは、第１の実施形態のものと同様のものであるが、周期的凹凸構造８を覆うように設けられた絶縁体層１８上に、レンズ１９などの集光構造が設けられた点で相違する。レンズ１９は、フォトダイオードの受光面に入射光を収束させるものである。この構造では、レンズ１９などの集光構造によって入射光７を集光するため、フォトダイオードの電気容量を小さく保ったまま、実効的な受光面積を大きくすることができるという長所を有する。したがって、大受光面積、高効率、高速応答なフォトダイオードを得ることができる。
【００７８】
（実施例８）
図２２に示した実施例８のＭＳＭ型フォトダイオードは、本発明の第３の実施形態に基づくものである。絶縁体層としてのＳｉＯ2層１０の上面に、レンズに代わるものとして回折格子２０が形成されており、この回折格子２０によってによって入射光７をフォトダイオードの受光部分に集光させて、表面プラズモン共鳴状態を形成することができる。
【００７９】
（第４の実施形態）
図２３は、本発明の第４の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードを示している。図２３に示すフォトダイオードは、第１の実施形態のものと同様のものであるが、半導体光吸収層の下部側に、反射ミラー２２などの反射構造を設けた点で相違している。ここでは、曲率を有するように基板４自体を研磨し、基板４の表面に金属膜を蒸着して反射ミラー２２を形成している。このような構造の反射ミラー２２を設けることは、化合物半導体を用いた一般の光電変換素子において、既に知られている技術である。
【００８０】
本発明のフォトダイオードは、光の閉じ込め構造を有するため、従来のものに比べ、入射光７のうち基板４側まで透過する成分の割合は小さい。しかしながら、上述したように光の閉じ込めの効果は入射光の波長などに依存するので、使用条件によっては透過光を無視できなくなる場合もある。そこでこのように基板４の裏面に設けた反射ミラー２２などの反射構造によって入射光７が反射されるようにすることにより。受光層を透過した光を再び受光層に戻すことができ、フォトダイオードにおける光電変換効率をさらに高めることができる。反射構造に集光機能を備えさせることで、実効的な受光面積を大きくすることができ、感度を向上させることができる。
【００８１】
（実施例９）
図２４に示した実施例９のＭＳＭ型フォトダイオードは、本発明の第４の実施形態に基づくものであり、図７に示す実施例１のフォトダイオードにおいて、基板４とｎ型Ｓｉ層９の間に反射多層膜２１を備えた構成のものである。例えば、図９に示した計算例では、入射光７の４％程度が透過光となっているが、反射多層膜２１によりこの透過光を再び受光層に戻すことで、より高効率なフォトダイオードが得られる。反射多層膜２１は屈折率の異なる材料、例えばＳｉとＳｉＯ2を周期的に積層することで得られる。
【００８２】
フォトダイオードを構成する半導体として化合物半導体を用いる場合であれば、化合物半導体の組成を変えながら基板上に半導体層を成長させることによって、反射多層膜２１を容易に形成することができる。
【００８３】
（第５の実施形態）
図２５は、本発明の第５の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードを示している。このフォトダイオードは、半導体光吸収層の周辺に集光構造を設けた構成のものである。図１３に示す埋め込み酸化膜１７を有するフォトダイオードにおいて、周期的凹凸構造８の形成領域の外側の位置で埋め込み酸化膜１７上に金属周期構造体２３が形成されている。すなわち、金属周期構造体２３は、第２の電極２の外周部に沿って形成されている。さらにこの金属周期構造体２３の外周に沿うように、ブラッグ反射体２４も形成されている。このフォトダイオードでは、金属周期構造体２３に入射した光は、金属周期構造体２３における表面プラズモンと結合し、外周部に向けて散逸する表面プラズモンはブラッグ反射体２４により反射されて半導体層３の受光部分に集められる。したがって、このフォトダイオードは、その電気容量を小さく保ったまま、実効的な受光面積を大きくすることができるという長所を有する。
【００８４】
（第６の実施形態）
本発明は、ＭＳＭ型フォトダイオードのみに適用されるものではなく、他の種類のフォトダイオードにも適用できるものである。図２６は、本発明の第６の実施形態に基づくトンネル接合型フォトダイオードの断面図である。このフォトダイオードは、構造的には図２に示す第１の実施形態のものと類似しているが、第１の電極１および第２の電極２の一方あるいは両方と、半導体層３との間に薄い絶縁体層１８Ａが設けられ、トンネル接合を形成している点で、第１の実施形態のものと異なっている。絶縁体層１８Ａを設けることで電極金属の密着性を良くすることもできる。また、暗電流を減らすこともできるという長所を有する。トンネル接合を構成するための絶縁体層１８Ａは、例えばＳｉＯ2からなってその厚さは１〜２ｎｍ程度のものである。
【００８５】
（第７の実施形態）
図２７は、本発明の第７の実施形態に基づくショットキー型フォトダイオードの断面図である。このフォトダイオードは、構造的には図２に示す第１の実施形態のものと類似しているが、半導体層が、基板４の全面に形成されたｎ+型半導体層２６と、周期的凹凸構造の凸部のみに形成されたｎ型半導体層２５の２層構成であり、第１の電極１とｎ型半導体層２５との間にショットキー接合が形成され、第２の電極２とｎ+型半導体層２６との間にオーミック接合形成され、ショットキー型フォトダイオードとなっている点で、第１の実施形態のもものと異なっている。このように、ｎ型半導体層２５とｎ+型半導体層２６の積層構造を持った半導体基板に対しても本発明のフォトダイオードを作りこむことが可能であり、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８６】
また、ｎ型半導体層２５およびｎ+型半導体層２６の代わりに、ｐ型半導体層およびｐ+型半導体層を用いて、正孔を多数キャリアとして動作するショットキー型フォトダイオードとしてもよい。
【００８７】
これらのショットキー型フォトダイオードにおいても、第１の電極１および第２の電極２の少なくとも一方と半導体層との界面に薄い絶縁膜を設け、トンネル接合型の構成としてもよい。
【００８８】
（第８の実施形態）
図２８は、本発明の第８の実施形態に基づくｐｉｎ型フォトダイオードの断面図である。このフォトダイオードは、構造的には図２に示す第１の実施形態のものと類似しているが、半導体層として、ｐ+型半導体層２８とｉ型半導体層２７とｎ+型半導体層２６とが積層構造になった半導体基板を用い、ｐｉｎ接合を得ている点である、第１の実施形態のものとは異なっている。基板４の全面にｎ+半導体層２６が形成され、周期的凹凸構造の凸部の部分にのみｉ+半導体層２７とｐ+半導体層２８が設けられている。したがって、第２の電極２はｎ+半導体層２６と接合し、第１の電極１はｐ+半導体層２８と接合する。
【００８９】
ｐ+型半導体層２８とｉ型半導体層２７とｎ+型半導体層２６の積層構造を持った半導体基板に対しても本発明のフォトダイオードを作りこむことが可能であり、ｐ+型半導体層２８を薄くして電極近傍に空乏層を形成することで、第１の実施形態と同様の効果が得られる。ｐｉｎ型フォトダイオードにした場合、高温プロセスへの耐性があるという長所がある。また、ｐ+型半導体２８とｎ+型半導体２６とは逆の配置にしても同様の効果を奏するｐｉｎ型フォトダイオードを得ることができる。
【００９０】
これらのｐｉｎ型フォトダイオードにおいても、第１の電極１および第２の電極２の少なくとも一方と半導体層との界面に薄い絶縁膜を設け、トンネル接合型の構成としてもよい。
【００９１】
（第９の実施形態）
本発明によるフォトダイオードは、情報処理あるいは光通信の分野で高速に光信号を検出する場合に好ましく利用できるものである。以下、本発明のフォトダイオードを利用した機器の例について説明する。
【００９２】
図２９は、本発明の第９の実施形態として、本発明による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している。
【００９３】
モジュール筐体３２内に外部から光ファイバ２９が引き込まれている。モジュール筐体３２内では、光ファイバ２９の端面に対向して、本発明に基づくフォトダイオード３１が配置するとともに、光ファイバ２９の端面とフォトダイオード３１の間には、光ファイバ２９とフォトダイオード３１とを光学的に結合させ、光ファイバ２９から出射した信号光３０をフォトダイオード３１の受光面に集光させるためのレンズ１９Ａが設けられている。フォトダイオード３１は、チップキャリア３５の側面に設けられており、電気配線３３を介して、チップキャリア３５の上面に設けられたプリアンプＩＣ（集積回路）３４と接続している。フォトダイオード３１は信号光３０を電気信号に変換し、電気配線３３を介してその電気信号をプリアンプＩＣ３４に出力する。プリアンプＩＣ３４は、入力された電気信号を増幅する。波長１．５５μｍの近赤外光による伝送に用いる場合、フォトダイオード３１には、Ｓｉの上にＧｅをエピタキシャル成長させた基板または化合物半導体基板を用いることができる。
【００９４】
この構造においては、例えば図２５に示した第５の実施形態のように半導体光吸収層の周辺に集光構造を設けたフォトダイオード３１を用いて、実効的な受光面積を大きくすることで、光ファイバ２９との位置に関する結合トレランスを広くすることができる。
【００９５】
（第１０の実施形態）
図３０は、本発明の第１０の実施形態として、本発明によるフォトダイオードを搭載したＬＳＩ（大規模集積回路）チップ間インターコネクトを示している。
【００９６】
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が必要となる。
【００９７】
フォトダイオード／光源搭載ボード４６の一方の表面には、本発明に基づくフォトダイオード３１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３６とが設けられている。フォトダイオード／光源搭載ボード４６は、ＬＳＩチップを内蔵するＬＳＩパッケージ３９の表面に取り付けられている。ＬＳＩパッケージ３９には、光源および変調用の電気配線のためのビア３７と、フォトダイオード用の電気配線のためのビア３８とが形成されている。ビア３７は、フォトダイオード／光源搭載ボード４６に形成されてＶＣＳＥＬ光源３６に接続した電気配線層４０と接続する。ビア３８は、フォトダイオード／光源搭載ボード４６に形成されてフォトダイオード３１に接続した電気配線層４１と接続する。
【００９８】
このようなフォトダイオード／光源ボード４６に対向するように、ＬＳＩ搭載ボード４４が配置している。ＬＳＩ搭載ボード４４の表面は、光信号入力用の光ファイバ４３と光信号出力用の光ファイバ４２と、光ファイバ４３の端面から出射した信号光をフォトダイオード３１に向ける凹面鏡４５Ａと、ＶＣＳＥＬ光源３６からの信号光を光ファイバ４２に入射させる凹面鏡４５Ｂとが設けられている。凹面鏡４５Ａは、光ファイバ４３とフォトダイオード３１とを光結合させ、凹面鏡４５Ｂは、光ファイバ４２とＶＣＳＥＬ光源３６とを光結合させる。
【００９９】
このような光インターコネクトでは、光信号入力用のファイバ４３からの信号光は、凹面鏡４５Ａにより、本発明によるフォトダイオード３１に照射されて、フォトダイオード用電気配線層４１を通してＬＳＩに光信号に対応した電流を流す。波長８５０ｎｍの光を用いる場合、フォトダイオード３１には、光を吸収する半導体材料としてＳｉを用いることができる。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４５Ａ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。あるいは、光ファイバの先端を斜めにカットし、端面での反射を利用してフォトダイオード３１と光ファイバとを光接続させることもできる。また、フォトダイオード３１の直後のフォトダイオード用電気配線層４１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。
【０１００】
ＬＳＩからの電気信号は光源および変調用電気配線ビア３７から光源および変調用電気配線層４０を通って、電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）光源３６により光信号に変換される。光信号は、凹面鏡４５Ｂで反射され、光信号出力用の光ファイバ４２に導かれる。電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源３６は、電気信号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ェンダー型の変調器により、置き換えることができる。
【０１０１】
ここで、ＬＳＩチップ間の接続に用いられる従来の光インターコネクトでは、２０ＧＨｚ以上の高速動作を目的とする場合、受光用のフォトダイオードとしては、高速応答のために、ＩｎＰ基板上に成長させたＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体材料などが用いられる。このような化合物半導体は、Ｓｉ半導体装置の製造プロセスとの整合性が悪いため、従来の光インターコネクトモジュールでは製造コストが高くなるという問題点がある。
【０１０２】
これに対し本実施形態の光インターコネクトでは、半導体材料としてＳｉを用いる本発明によるフォトダイオードを使用するため、製造コストを引き下げることができる。本発明によるフォトダイオードでは、半導体層にＳｉを用いても４０ＧＨｚ以上の高速動作が可能であるため、本発明のフォトダイオードを用いることにより、光インターコネクトの高集積化および量産が容易となり、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】
【０１０３】
【図１】本発明の第１の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードを示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線での断面図である。
【図３】第１の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードにおける、電極間隙Ｗと入射光に対する反射率、透過率および（反射率＋透過率）との関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードにおける、周期Ｐおよび電極間距離ｄの変化に対する（反射率＋透過率）の変化を示すグラフである。
【図５】第１の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードにおける、反射率、透過率および（反射率＋透過率）の周期Ｐ依存性を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードにおける、反射率、透過率および（反射率＋透過率）の電極間距離ｄ依存性を示すグラフである。
【図７】実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードの断面図である。
【図８Ａ】実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードについての電磁界計算の計算モデルを示す図である。
【図８Ｂ】実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードについての電場強度分布の計算結果を示す図である。
【図９】実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードにおける、反射率、透過率および（反射率＋透過率）の入射光波長依存性を示すグラフである。
【図１０】実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードの製造過程を示す断面図である。
【図１１】実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードの製造過程を示す断面図である。
【図１２】実施例２のＭＳＭ型フォトダイオードの断面図である。
【図１３】実施例３のＭＳＭ型フォトダイオードの断面図である。
【図１４】実施例４のＭＳＭ型フォトダイオードの平面図である。
【図１５】図１４のＣ−Ｃ’線での断面図である。
【図１６】実施例５のＭＳＭ型フォトダイオードの斜視図である。
【図１７】図１６のＤ−Ｄ’線での断面図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードを示す断面図である。
【図１９】実施例６のＭＳＭ型フォトダイオードの断面図である。
【図２０】実施例７のＭＳＭ型フォトダイオードの断面図である。
【図２１】本発明の第３の実施形態による、絶縁体層の上に集光構造を設けたＭＳＭ型フォトダイオードを示す断面図である。
【図２２】実施例８のＭＳＭ型フォトダイオードの断面図である。
【図２３】本発明の第４の実施形態による、半導体光吸収層の下部に反射構造を設けたＭＳＭ型フォトダイオードを示す断面図である。
【図２４】実施例９のＭＳＭ型フォトダイオードの断面図である。
【図２５】本発明の第５の実施形態による、半導体光吸収層の周辺に集光構造を設けたＭＳＭ型フォトダイオードを示す断面図である。
【図２６】本発明の第６の実施形態のトンネル接合型フォトダイオードを示す断面図である。
【図２７】本発明の第７の実施形態のショットキー型フォトダイオードを示す断面図である。
【図２８】本発明の第８の実施形態のｐｉｎ型フォトダイオードを示す断面図である。
【図２９】本発明の第９の実施形態による、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３０】本発明の第１０の実施形態による、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を示す断面図である。
【図３１】従来のＭＳＭ型フォトダイオードを示す斜視図である。
【図３２】図３１のＢ−Ｂ’線での断面図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１    第１の電極
２    第２の電極
３    半導体
４    基板
５    負荷抵抗
６    バイアス電源
７    入射光
８    周期的凹凸構造
９    ｎ型Ｓｉ層
１０    ＳｉＯ2層
１１    Ａｇ膜
１２    Ｃｒ膜
１３    第１の電極パッド
１４    第２の電極パッド
１５    レジスト
１６    ＳｉＧｅ層
１７    埋め込み酸化層
１８，１８Ａ    絶縁体層
１９，１９Ａ    レンズ
２０    回折格子
２１    反射多層膜
２２    反射ミラー
２３    金属周期構造体
２４    ブラッグ反射体
２５    ｎ型半導体層
２６    ｎ+型半導体層
２７    ｉ型半導体層
２８    ｐ+型半導体層
２９    光ファイバ
３０    信号光
３１    フォトダイオード
３２    モジュール筐体
３３    電気配線
３４    プリアンプＩＣ
３５    チップキャリア
３６    ＶＣＳＥＬ光源
３７    光源および変調用電気配線ビア
３８    フォトダイオード用電気配線ビア
３９    ＬＳＩパッケージ
４０    光源および変調用電気配線層
４１    フォトダイオード用電気配線層
４２    光信号出力ファイバ
４３    光信号入力ファイバ
４４    ＬＳＩ搭載ボード
４５Ａ，４５Ｂ    凹面鏡
４６    フォトダイオード／光源搭載ボード 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図４】
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【図８Ｂ】
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