(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成され、光を上面から入射するフォトダイオードと、
前記フォトダイオード上に形成され、当該フォトダイオードの上面側アンテナと接続される上部電極と
を備え、
前記上部電極は、前記フォトダイオードへの前記光の上面入射のための開口を有するとともに、表面および裏面の各々に、前記開口を中心とする同心円状の凹凸パターンを有し、
前記上部電極の表面の凹凸パターンは、入射光を集光して前記開口を透過させるように構成され、
前記上部電極の裏面の凹凸パターンは、前記開口を透過した入射光を回折させて光ビームとして出射させるように構成されている
ことを特徴とするフォトダイオード装置。
【請求項２】
前記上部電極の表面および裏面の凹凸パターンは、それぞれ、複数の凹部および複数の凸部を含むことを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフォトダイオード装置を含み、前記フォトダイオード装置により光変換してテラヘルツ波を発生させるフォトミキサモジュール。
【請求項４】
半導体基板上に、光を上面から入射するフォトダイオードを形成するステップと、
前記フォトダイオード上に、当該フォトダイオードの上面側アンテナと接続される上部電極を形成するステップと
を含み、
前記上部電極を形成するステップでは、前記上部電極は、前記フォトダイオードへの前記光の上面入射のための開口を有するとともに、表面および裏面の各々に、前記開口を中心とする同心円状の凹凸パターンを有し、前記上部電極の表面の凹凸パターンは、入射光を集光して前記開口を透過させるように構成され、前記上部電極の裏面の凹凸パターンは、前記開口を透過した入射光を回折させて光ビームとして出射させるように構成される
ことを特徴とするフォトダイオード装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ結合型のフォトダイオード装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、０．１ 〜 １０ THzの周波数の電磁波であるテラヘルツ波が非破壊検査や材料分析等への応用が期待されている。このようなテラヘルツ波を発生させる小型デバイスとして、フォトダイオードを用いたフォトミキサモジュールが注目されている。
【０００３】
図１は、従来の典型的なフォトミキサモジュール１０００の構成を示す図であって、（ａ）は光入射の様子を示す側面図、（ｂ）はフォトミキサモジュールの上面図、（ｃ）は（ｂ）のフォトミキサモジュールに用いられるフォトダイオードの部分を拡大した図、を示す。
【０００４】
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、フォトミキサモジュール１０００は、光ファイバ１０５からの光を、レンズ１０６，１０７を介して入射するフォトダイオード１００と、コンタクト電極（金属電極）１０１とを備える。コンタクト電極１０１の開口部１０２は、フォトダイオード１００へ光入射させるためのものである。
【０００５】
平面アンテナ１０８は、フォトダイオード１００によって光電変換されて発生した電磁波を効率よく空間に取り出すために構成されている。
【０００６】
一般に、上述したフォトミキサモジュールからのテラヘルツ波の出力は、周波数の増加に伴って低下する。その要因の一つとして、フォトダイオードのCR時定数制限がある。C（容量）の値は、フォトダイオードのｐｎ接合面積に依存するので、Cを小さくするためには、接合面積を縮小する必要がある。例えば、非特許文献１では、１THzで−３０dBmの出力を得るために、接合面積が３ × ７ μm2 のフォトダイオードを用いている。
【０００７】
そのような微小な接合面積をもつフォトダイオードの場合、コンタクト電極の面積は、一般に、CR時定数のR（抵抗）に関わる接触抵抗を低減するために、接合面積に対して十分大きくする必要がある。
【０００８】
上述した平面アンテナ１０８は、フォトダイオード１００に比べてサイズが大きくなるので、一般的に、フォトダイオード１００の上面は、平面アンテナ１０８またはフォトダイオード１００のコンタクト電極１０１で覆われる。
【０００９】
このようなフォトダイオードに光を入射する方法として、図１に示したように、コンタクト電極１０１に開口部１０２を設け、集光した光をその開口部１０２を通してフォトダイオード上面から入射する方法がある。このとき、開口部１０２の開口面積が大きいほど、コンタクト電極１０１の電極面積が減少するため、上述した接触抵抗が増加してしまう。従って、接触抵抗の観点からは、開口部１０２の開口面積はできるだけ小さくするのが好ましい。
【００１０】
一方、フォトダイオードに光を入射するためには、入射光のスポット径程度の大きさを有する開口が必要である。一般に、入射光の最小のスポット径は、回折限界により、０．６ × λ／Ｎ．Ａで表される。ここで、λは入射光の波長、Ｎ．Ａは光学レンズの開口数を示す。このとき、例えば、λ＝１．５５μｍの光が空気中を通って入射すると、開口数Ｎ．Ａ＝１となり、最小のスポット径は、１．８６μｍとなる。このとき、開口の面積は、少なくとも２．７μｍ2程度必要となる。
【００１１】
しかし実際には、レンズの大きさと焦点距離はともに有限であるため、レンズの開口数は１以下となる。例えば非特許文献２では、フォトダイオードにおけるスポット径が３μｍ程度であり、このとき開口の面積は、７μｍ2程度となるため、コンタクト電極の面積は著しく減少し、接触抵抗は増大する。
【００１２】
従って、光学レンズで集光可能なスポット径と接触抵抗の制約のために、フォトダイオードにおいて、開口を通して上面入射することは困難となる。
【００１３】
この解決策として、フォトダイオードの上面から光を入射する代わりに、フォトダイオードに対して横から光を入射する方法がある。例えば、非特許文献１に開示された方法を図２に示す。この方法では、コンタクト電極に開口を設ける必要がないため、接触抵抗を増加させることなく、光の入射が可能である。
【００１４】
図２は、典型的なフォトミキサモジュール２０００の構成を示す図であって、（ａ）は光入射の様子、（ｂ）はフォトミキサモジュールの上面図、を示している。
【００１５】
図２におけるフォトミキサモジュール２０００は、フォトダイオード２００に対して横からの光入射を実現するための、基板２０２および光学ミラー２０７を備える。基板２０２は、端面が加工され切り欠き部を有する。
【００１６】
図２のフォトミキサモジュール２０００では、光学ミラー２０７によって、レンズ２０５，２０６を介して集光された光を反射させ、基板２０２の上記切り欠き部における屈折を利用して横方向からフォトダイオード２００に光吸収させている。なお、図２のフォトミキサモジュール２０００は、図１に示したものと同様に、金属電極２０１とＳｉ半球レンズ２０３を備えている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】T. Ishibashi, et.al., “Unitraveling-Carrier Photidiodes for Terahertz Applications” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 20, 2014
【非特許文献２】A. Beck, et. al., “High-efficiency uni-traveling-carrier photomixier at 1.55 μm and spectroscopy application up to 1.4 THz”, Electron. Lett. 44, 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
図２に示したように、フォトミキサモジュールは、光ファイバからの入射光を２つのレンズで集光し、さらに光学ミラーで反射させ、基板での屈折を利用して横方向からフォトダイオードへ光入射するようにしている。しかしながら、基板端面を加工したり、光学ミラーを設けたりする必要があり、複雑な構造になる。また、光の上面入射ができない。
【００１９】
本発明は、このような状況下においてなされたものであり、その目的は、上述したフォトダイオードと電極との接触面積を大きくすることなく、光の上面入射が可能なフォトダイオード装置およびフォトミキサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の課題を解決するための発明は、半導体基板上に形成され、光を上面から入射するフォトダイオードと、前記フォトダイオード上に形成され、当該フォトダイオードの上面側アンテナと接続される上部電極とを備え、前記上部電極は、前記フォトダイオードへの前記光の上面入射のための開口を有するとともに、表面および裏面の各々に、前記開口を中心とする同心円状の凹凸パターンを有し、前記上部電極の表面の凹凸パターンは、入射光を集光して前記開口を透過させるように構成され、前記上部電極の裏面の凹凸パターンは、前記開口を透過した入射光を回折させて光ビームとして出射させるように構成されている。
【００２１】
ここで、前記上部電極の表面および裏面の凹凸パターンは、それぞれ、複数の凹部および複数の凸部を含むようにしてもよい。
【００２２】
また、上記の課題を解決するための発明は、前述のフォトダイオード装置を含み、前記フォトダイオード装置により光変換してテラヘルツ波を発生させる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、フォトダイオードと電極との接触面積を大きくすることなく、光を上面から入射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の典型的なフォトミキサモジュールの構成を示す図である。
【図２】フォトダイオードに対して横から光を入射するようにした従来のフォトミキサモジュールの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態におけるフォトミキサモジュールの構成例を示す図である。
【図４】フォトダイオード装置の構成例を示す図である。
【図５】フォトダイオード装置における上部電極の凹凸パターンの構成例を示す図である。
【図６】フォトミキサモジュールの第１工程から第４工程までの作製工程を説明するための図である。
【図７】フォトミキサモジュールの第５工程から第８工程までの作製工程を説明するための図である。
【図８】フォトミキサモジュールの第９工程から第１１工程までの作製工程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図３は、本発明の実施形態におけるフォトミキサモジュール１０の構成例を示す図であって、（ａ）は光ｄの入射の様子を示す側面図、（ｂ）はフォトミキサモジュール１０に用いられるフォトダイオード装置１１の上面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ´における上部電極２の凹凸パターン２２の部分を拡大した図、を示す。
【００２６】
図３（ａ）に示すように、光をフォトミキサモジュール１０に入射するための光学系は、光ファイバ３０とコリメートレンズ３１とを含む。コリメートレンズ３１は、光ファイバ３０からの光ｄを平行光としてフォトミキサモジュール１０へ出射するようになっている。光ファイバ３０からの光ｄは、異なる周波数（例えば、ｆ１，ｆ２（ｆ１＞ｆ２））をもつ２つのレーザ光の差周波（例えば、ｆｂ＝ｆ１−ｆ２）をもつビート信号である。
【００２７】
フォトミキサモジュール１０は、フォトダイオード装置１１と、Ｓｉ半球レンズ４と、後述する２つのアンテナとを備える。
【００２８】
フォトダイオード装置１１は、フォトダイオード１と、開口部２１Ａを有する上部電極２とを有する。上部電極２上は、図３（ａ）に示すように、表面保護膜１１が形成されている。上部電極２は、図３（ｂ）または図３（ｃ）に示すように、開口部２１Ａを中心として同心円の凹凸パターン２２を形成している。この実施形態では、凹凸パターン２２は、複数の凸部２ａと複数の凹部２ｂとを含む。
【００２９】
図３において、基板３は、絶縁性基板であり、例えば、高抵抗なInPからなるInP基板を採用する場合について説明するが、例えばシリコン基板、サファイヤ基板、酸化マグネシウム基板等を用いることもできる。図３（ａ）の例では、基板３上には、誘電体スペーサ２５が形成されている。
【００３０】
フォトダイオード装置１１がコリメートレンズ３１を介して光ｄを入射した場合、フォトダイオード装置１１の光電変換機能により所定の周波数（例えば、ｆｂ）で振動する電流が生じ、これを後記するアンテナから空中に放射することによりテラヘルツ波が発生するようになっている。
【００３１】
図４は、フォトダイオード装置１０の構成例を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ´断面図、を示す。
【００３２】
図４（ａ）および（ｂ）に示すように、フォトダイオード装置１０は、２つのアンテナ１２，２４を備える。この実施形態では、アンテナ１２，２４は、例えば、ボウタイアンテナとして形成され、０．１ 〜 １０THz程度のテラヘルツ帯における周波数をその共振周波数として有するようになっている。
【００３３】
図４（ａ）および（ｂ）に示すように、フォトミキサモジュール１０では、表面保護膜（SiNｘ）１１の下に形成された上部電極２の表面および裏面の各々において、開口部２１Ａを中心とする同心円状の凹凸パターン２２を形成するための複数の凸部２ａおよび複数の凹部２ｂを有する。この凹凸パターン２２によって、入射光を集光して透過させるように構成されている。
【００３４】
フォトダイオード１は、図４（ｂ）に示すように、積層構造を有する。この積層構造は、上部電極２側から、ｐ型InGaAsコンタクト層１３、ｐ型InGaAsP障壁層１４、ｐ型InGaAs吸収層１５、ノンドープInGaAs吸収層１６、ノンドープInPスペーサ層１７、ｎ型InP層１８、ｎ型InPコレクタ層１９、第１のｎ型InPサブコレクタ層２０、ｎ型InGaAsエッチング停止層２１、および、第２のｎ型InPサブコレクタ層２２を備える。
【００３５】
図４（ｂ）において、第２のｎ型InPサブコレクタ層２２上に形成された下面電極２６は、下面側アンテナ２４と接続されている。また、半絶縁性InP基板３上には、誘電体スペーサ（SiNｘ）２５が形成されている。
【００３６】
図５は、上部電極２の凹凸パターン２２を説明するための図であって、（ａ）は凹凸パターン２２を形成するための凸部２ａおよび凹部２ｂの断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ´断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ´断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ´断面図、を示す。なお、図５（ａ）〜（ｄ）では、表面保護膜１１および誘電体スペーサ２５はともに、SiNx (n=2.73）とし、コンタクト層１３は、ｐ型InGaAs (n=3.2）として説明する。
【００３７】
図５（ａ）において、開口部２１Ａの開口径ａが与えられる。この場合、上部電極２の表面において、凹部２ｂの溝幅をｗ、隣接する凸部２ａのピッチ幅をｐ、凹凸パターンの周期数（凸部２ａと凹部２ｂとのパターンを１周期と呼ぶ。）をＭ（図５の例では、Ｍ＝５）、とする。
【００３８】
また、上部電極２の裏面において、凹部２ｂの溝幅をａ（上記開口径ａと同じ）、隣接する凸部２ａのピッチ幅をｄ、凹凸パターンの周期数（凸部２ａと凹部２ｂとのパターンを１周期と呼ぶ。）をＮ、とする。この実施形態のフォトダイオード装置１１は、高速化のために、積層体の各層１３〜２２は薄く設計されており、上部電極２から吸収層までの距離を１μｍ以下とする。上述した「Ｎ」の値は、光の集光位置に関係するため、上部電極２から吸収層までの距離に応じて決定することになるが、上述した１μｍ以下の距離の場合、Ｎ＝２とする。上述したピッチ幅ｄは、上部電極２に接するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３での実行波長λｏｕｔに対して、ｄ ＝λｏｕｔ／１．３とする。なお、上述した上部電極２から吸収層までの距離は、変更することができる。また、上述した「Ｍ」、「Ｎ」、「ｄ」などの数値も、適宜変更するようにしてよい。
【００３９】
図５（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、図５（ａ）のＢ−Ｂ´断面、図５（ａ）のＣ−Ｃ´断面および図５（ａ）のＤ−Ｄ´断面を示してある。
【００４０】
次に、本実施形態のフォトミキサモジュール１０の作製方法について図３〜図８を参照して説明する。
【００４１】
図６は、フォトミキサモジュール１０の第１工程から第４工程までの作製工程を説明するための図である。図７は、図６に続く第５工程から第８工程までの作製工程を説明するための図である。図８は、図７に続く第９工程から第１１工程までの作製工程を説明するための図である。
【００４２】
先ず、第１工程では、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などのエピキシャル成長法により、基板３上に、各層１３〜２２を含む積層体を形成する（図６（ａ））。第２工程では、公知のフォトリソグラフィおよびエッチング技術により、上述した積層体をメサ型に加工する（図６（ｂ））。第３工程では、上記フォトリソグラフィおよびリフトオフセット技術により、基板３上に、誘電体スペーサ２５を形成する（図６（ｃ））。
【００４３】
第４工程では、図６（ｃ）の露出面にレジスト３１を形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチング技術により、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３の表面に、凸部２ａおよび凹部２ｂを備える凹凸パターン２２（図５）に対応するパターンを形成する（図６（ｄ））。
【００４４】
第５工程では、真空蒸着法（Au）により、レジスト３１上に、Ａｕ膜３２を形成する（図７（ａ））。第６工程では、フォトリソグラフィおよびリフトオフ技術により、上述したレジスト３１およびＡｕ膜３２を取り除く（図７（ｂ））。これにより、コンタクト層１３の上面に、Ａｕからなる上部電極２の一部が形成される。このとき、上部電極２の裏面に凹凸パターン（図５（ａ）参照）が形成される。
【００４５】
第６工程では、フォトリソグラフィおよび真空蒸着法により、ｎ型ＩｎＰサブコレクタ層２１にオーミック接触する下部電極２６と、下部電極２６と接続するように下面側アンテナ２４とを形成し（図７（ｃ））、第７工程では、アンテナ２４、下部電極２６、第２のｎ型InPサブコレクタ層２２および基板３の各露出面に誘電体スペーサ層２５を形成する（図７（ｄ））。
【００４６】
第８工程では、誘電体スペーサ層２５、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３および上部電極２の裏面の凹凸パターン上に、上部電極２およびアンテナ１２として機能するＡｕ金属電極３２を、フォトリソグラフィ、リフトオフ技術および真空蒸着技術により形成する（図８（ａ））。
【００４７】
第９工程では、収束イオンビーム（ＦＩＢ）技術により、金属電極３２の表面に対して、図５に示した凹凸パターン２２を形成する（図８（ｂ））。この実施形態では、図５（ａ）に示した凸部２ａのピッチ幅ｐは、表面保護膜１１とＡｕ金属電極３２との界面における入射光の実行波長λｅｆｆ に等しいので、図５（ａ）に示した凹部２ｂの溝幅ｗはｐ／２で設計する。また、上述した周期数Ｍ は、上部電極２における入射光のスポット径に対して大きくなるように決定する。例えば、入射光の波長λ＝１．５５μｍが与えられ、表面保護膜１１としてＳｉＮｘ、電極２，２６にＡｕが用いられた場合、λｅｆｆ = ５４３ nm、Ｐ = ５４３ｎｍ、ｗ = ２７２ｎｍとなる。なお、Ｍ＝９のときは、入射光のスポット径がφ＝１０μｍまで対応することができる。
【００４８】
図８（ｂ）に示したものにおいて、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３まで貫通する貫通孔としての開口部２１Ａを、ＦＩＢ技術を用いて形成する。この開口部２１Ａの開口径（直径）ａは、表面保護膜１１と上部電極２との界面における入射光の実行波長λｅｆｆに対して、例えば、ａ≦（λｅｆｆ）／２とする。
【００４９】
なお、第９工程において、上述した開口部２１Ａおよび凹凸パターン２２は、電子ビーム描画技術およびリフトオフ技術により形成することもできる。
【００５０】
第１０工程では、表面保護膜１１を形成する（図８（ｃ））。その結果、本実施形態のフォトミキサモジュール１０が作製できる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態のフォトダイオード装置１１は、フォトダイオード１が光ｄを上面から入射する。ここで、フォトダイオード１上に形成された上部電極２は、フォトダイオード１への光の上面入射のための開口部２１Ａを有し、さらに、上部電極２の表面および裏面の各々に、開口部２１Ａを中心とする同心円状の凹凸パターン２２を有する。この上部電極２の凹凸パターンにより、入射光が集光して透過させるレンズとして機能する。つまり、上部電極２へ入射する光は、凸部２ａおよび凹部２ｂを介することで、上部電極２の表面プラズモンポラリトンとして凹凸構造の中央の開口部２１Ａに向かって伝搬し、開口部２１Ａに集中する。そして、この開口部２１ａを透過した後に、上部電極２の裏面の凹凸パターンで回折を受け、光ビームとして出射される。したがって、フォトダイオード１と上部電極２との接触面積をあえて大きくすることなく、光の上面入射が実現できる。
【００５２】
また、フォトミキサ１０は、フォトダイオード装置１１の光電変換機能により周波数（例えば、ｆｂ）で振動する電流が生じ、これをアンテナ１２，２４から空中に放射することによりテラヘルツ波を発生させることができる。
【００５３】
上述した開口部２１Ａにおける光の透過率は、凹凸パターンがないものと比較して、ａ =  λｅｆｆ ／２の場合で、約一桁改善する。
【００５４】
また、上部電極２に入射した光は、上述した表面プラズモンポラリトンとして開口部２１Ａに伝搬するため、開口部２１Ａの開口面積は、上部電極２における入射光のスポットサイズよりも小さくて良い。
【００５５】
本実施形態では、上部電極２に形成する開口面積は、１μｍ2 以下であり、ｐｎ接合面積に対して小さいため、開口部２１Ａの形成による上記接触抵抗の増加を抑えることができる。
【００５６】
従って、上部電極２の表裏に同心円状の周期的な凹凸パターンを形成することで、接触抵抗の増加を抑えつつ、上面から開口部２１Ａを通してフォトダイオード１に光を入射することが可能となる。
【００５７】
本実施形態のフォトミキサ１０は、従来のもの（図２）と比較して、上面入射が可能となるため、図２で説明したような基板の端面加工や光学ミラーが不要となる。さらに、上部電極２がレンズとして機能するため、別途、レンズを設ける必要がなくなる。上部電極２の加工だけで、新たに部品（光学ミラー等）を追加する必要がないため、部品点数を減らすことで低コスト化が実現できる。また、レンズ機能をフォトダイオード装置１１に集積することで、集積性が高まり、実装の自由度が向上する。
【００５８】
以上、本実施形態を詳述してきたが、具体的な積層体の材料や動作周波数等は実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１    フォトダイオード
２    上部電極
２ａ  凸部（電極）
２ｂ  凹部（電極）
３    基板
１０  フォトミキサ
１１  フォトダイオード装置
１２，２４  アンテナ
２１Ａ  開口部
２２  凹凸パターン
【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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