(57)【要約】  フォトダイオードの受光感度と高速性を両立させる。  フォトダイオードは、半導体層１と、半導体層１の表面に互いに間隔ｄをおいて配置され、ＭＳＭ接合を形成する一対の金属電極２と、を有している。間隔ｄは、入射光の波長をλとしたときに、λ＞ｄ＞λ／１００の関係を満たしている。一対の金属電極２は、表面プラズモンを誘起することが可能で、少なくとも一方が半導体１層とショットキー接合を形成し、半導体層１の屈折率をｎとしたときに、下端部がλ/２ｎより小さい深さとなる位置まで半導体層１に埋め込まれている。
2007105593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層の表面に互いに間隔ｄをおいて配置され、ＭＳＭ接合を形成する一対の金属電極と、
を有し、
前記間隔ｄは、入射光の波長をλとしたときに、λ＞ｄ＞λ／１００の関係を満たし、
前記一対の金属電極は、表面プラズモンを誘起することが可能で、少なくとも一方が前記半導体層とショットキー接合を形成し、該半導体層の屈折率をｎとしたときに、下端部がλ/２ｎより小さい深さとなる位置まで該半導体層に埋め込まれている、
フォトダイオード。
【請求項２】
前記一対の金属電極は、一方の前記金属電極と前記半導体層とがショットキー障壁型の接合を形成し、他方の前記金属電極と前記半導体層とがオーミック接合を形成している、請求項１に記載のフォトダイオード。
【請求項３】
半導体層と、
前記半導体層の表面に互いに間隔ｄをおいて配置された一対の金属電極と、
前記半導体層の、前記表面と反対側の面に接して設けられた対向電極と、
を有し、
前記間隔ｄは、入射光の波長をλとしたときに、λ＞ｄ＞λ／１００の関係を満たし、
前記一対の金属電極は、表面プラズモンを誘起することが可能で、少なくとも一方が前記半導体層とショットキー接合を形成し、該半導体層の屈折率をｎとしたときに、下端部がλ/２ｎより小さい深さとなる位置まで該半導体層に埋め込まれている、
フォトダイオード。
【請求項４】
前記金属電極は、
前記半導体層とショットキー接合を形成する第一の金属膜と、
前記第一の金属膜の上部に積層された、表面プラズモンを誘起することが可能な第二の金属膜と、
を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項５】
前記第二の金属膜は、アルミニウム、銀、金、もしくは銅、または、アルミニウム、銀、金、および銅の少なくとも２つを含む合金からなる、請求項４に記載のフォトダイオード。
【請求項６】
半導体層と、
前記半導体層の内部に互いに間隔をおいて配置され、ｐｉｎ接合を形成する一対のｐ電極およびｎ電極と、
前記半導体層の表面に、互いに間隔ｄをおいて、前記ｐ電極および前記ｎ電極の各々の上に積層された、一対の金属膜と、
を有し、
前記間隔ｄは、入射光の波長をλとしたときに、λ＞ｄ＞λ／１００の関係を満たし、
前記一対の金属膜は、表面プラズモンを誘起することが可能で、前記半導体層の屈折率をｎとしたときに、下端部がλ/２ｎより小さい深さとなる位置まで該半導体層に埋め込まれている、フォトダイオード。
【請求項７】
前記金属膜は、アルミニウム、銀、金、もしくは銅、または、アルミニウム、銀、金、および銅の少なくとも２つを含む合金からなる、請求項６に記載のフォトダイオード。
【請求項８】
前記一対の金属電極の表面からλ/２以下の距離だけ離れた位置に設けられた光閉じ込め構造を有し、
前記光閉じ込め構造は、前記一対の金属電極で挟まれる領域と光結合する、内径λ以下または面積１０μｍ２以下の微小領域に入射光を閉じ込める、請求項１から５のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項９】
前記一対の金属膜の表面からλ/２以下の距離だけ離れた位置に設けられた光閉じ込め構造を有し、
前記光閉じ込め構造は、前記一対の金属膜で挟まれる領域と光結合する、内径λ以下または面積１０μｍ２以下の微小領域に入射光を閉じ込める、請求項６または７に記載のフォトダイオード。
【請求項１０】
前記光閉じ込め構造は、表面プラズモン共鳴を誘起する導電性膜を有し、
前記導電性膜は、前記微小領域を形成する微小開口と、該微小開口を中心として凹部と凸部が同心円状に交互に分布する凹凸構造とを備えている、請求項８または９に記載のフォトダイオード。
【請求項１１】
前記導電性膜は、アルミニウム、銀、金、もしくは銅からなり、または、アルミニウム、銀、金、および銅のうち少なくとも２つを含む合金からなる、請求項１０に記載のフォトダイオード。
【請求項１２】
前記微小開口には、該微小開口の周縁部から該微小開口内に張り出す、少なくとも一つの金属突起が設けられている、請求項１０または１１に記載のフォトダイオード。
【請求項１３】
前記金属突起は、互いに対向する少なくとも一対の金属突起である、請求項１２に記載のフォトダイオード。
【請求項１４】
前記金属突起は、アルミニウム、銀、金、もしくは銅からなり、または、アルミニウム、銀、金、および銅のうち少なくとも２つを含む合金からなる、請求項１２または１３に記載のフォトダイオード。
【請求項１５】
前記光閉じ込め構造は、互いに誘電関数の異なる２種類以上の媒質を周期的に配列してなる多層膜構造またはフォトニック結晶構造からなる、請求項８または９に記載のフォトダイオード。
【請求項１６】
前記光閉じ込め構造は、誘電体材料、有機化合物、または半導体材料からなる光導波路を含んでいる、請求項８または９に記載のフォトダイオード。
【請求項１７】
前記光導波路は、リング型の共振器構造を有している、請求項１６に記載のフォトダイオード。
【請求項１８】
前記金属電極と前記光閉じ込め構造との間に、光結合の媒体となる誘電膜が挿入されている、請求項８に記載のフォトダイオード。
【請求項１９】
前記金属膜と前記光閉じ込め構造との間に、光結合の媒体となる誘電膜が挿入されている、請求項９に記載のフォトダイオード。
【請求項２０】
前記フォトダイオードの接合面積は１００μｍ２以下である、請求項１から７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項２１】
前記フォトダイオードの接合面積は１０μｍ２以下である、請求項１から７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項２２】
前記半導体層の厚みは１μｍ以下である、請求項１から２１のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項２３】
前記半導体層の厚みは２００ｎｍ以下である、請求項１から２１のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項２４】
前記半導体層は、Ｓｉ，ＳｉｘＧｅ１-ｘ，Ｇｅ，ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＰ，またはＩｎＰからなる層を少なくとも１層有している、請求項１から７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項２５】
前記半導体層はＳｉｘＧｅ１-ｘまたはＧｅなる層を有し、前記金属電極の各々と前記半導体層との接合部にＮｉとＧｅとからなる合金層が形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項２６】
基板上に形成された半導体層の表面に、エッチングによって、間隔ｄの一対の溝を形成するステップと、
前記溝の形成された前記半導体層に金属層を積層するステップと、
前記金属層をイオンビームによってエッチングし、前記溝のみに、λ/２ｎより小さい深さの金属電極（λは入射光の波長、ｎは前記半導体層の屈折率）を形成するステップと、
を有する、フォトダイオードの製造方法。
【請求項２７】
前記金属電極の上に、間隔をおいて表面プラズモンを誘起させる導電性材料を積層するステップと、
前記導電性材料の、前記一対の金属電極に挟まれる領域と対向する位置に、イオンビームエッチングによって、微小開口を設けるステップと、
を有する、請求項２６に記載のフォトダイオードの製造方法。
【請求項２８】
基板上に形成された半導体層の表面に、エッチングによって、間隔ｄの一対の溝を形成するステップと、
各溝にｐ電極層またはｎ電極層が選択的に積層され、さらに該ｐ電極層およびｎ電極層の上方に金属層が積層されるように、前記溝の形成された前記半導体層に、該ｐ電極層、該ｎ電極層、および該金属層を積層するステップと、
前記ｐ電極層、前記ｎ電極層、および前記金属層をイオンビームによってエッチングし、一方の前記溝のみに、前記ｐ電極層と、λ/２ｎより小さい深さの金属膜（λは入射光の波長、ｎは前記半導体層の屈折率）の積層体を、他方の前記溝に、前記ｎ電極層と、λ/２ｎより小さい深さの金属膜の積層体を形成するステップと、
を有する、フォトダイオードの製造方法。
【請求項２９】
前記金属膜の上に、間隔をおいて表面プラズモンを誘起させる導電性材料を積層するステップと、
前記導電性材料の、前記一対の金属膜に挟まれる領域と対向する位置に、イオンビームエッチングによって、微小開口を設けるステップと、
を有する、請求項２８に記載のフォトダイオードの製造方法。
【請求項３０】
前記イオンビームは、原子あるいは分子からなるクラスターを電離させたガスクラスターイオンからなる、請求項２６から２９のいずれか１項に記載のフォトダイオードの製造方法。
【請求項３１】
前記微小開口のエッチングにおいて、エッチング装置内に配置された質量分析器によってエッチング量を検出する、請求項２７または２９に記載のフォトダイオードの製造方法。
【請求項３２】
請求項１から２５のいずれか１項に記載のフォトダイオードを受光部に備えた光通信デバイス。
【請求項３３】
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された請求項１から２５のいずれか１項に記載のフォトダイオードと、
前記シリコン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、
を有する光インタコネクションモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報処理および通信分野において必要となる、赤外を含む光の信号を高速に電気信号に変換するフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出器をシリコン電子技術によりモノリシック集積回路化することは、コストおよび歩留まりの観点から非常に魅力的である。ＣＭＯＳ回路と同じチップ上にモノリシック集積回路化されたシリコン受光器、すなわちシリコンフォトダイオードは、ＣＭＯＳ回路またはＧａＡｓ回路に接合されたＩｎＧａＡｓフォトダイオードのようなハイブリッド受光器に対する１つの魅力的な代替物である。【０００３】
モノリシック集積回路化された受光器は、標準的シリコンプロセスを用いて製造することができ、ハイブリッド設計よりも低コストで製造できることが期待される。【０００４】
光信号を電気信号に高速変換する手段としてフォトダイオードが多く用いられる。その代表的なものはｐｉｎ型フォトダイオードである。ｐｉｎ型フォトダイオードは、真性半導体のｉ層をｐ型半導体のｐ層およびｎ型半導体のｎ層で挟んだ構造となっている。これに対してバイアス電源により逆バイアス電圧を加えると、高抵抗のｉ層のほぼ全域が電荷キャリアの空乏層になる。入射光のフォトンは主にｉ層で吸収されて電子・正孔対を生成する。発生した電子および正孔は逆バイアス電圧により空乏層内を各々反対方向にドリフトして電流を生じ、負荷抵抗で信号電圧として検出される。この光電変換の応答速度を制限する要因の主なものは、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、空乏層を電子および正孔が通過するのに要するキャリア走行時間である。【０００５】
キャリア走行時間の短いフォトダイオードには、ショットキー型のフォトダイオードがある。これは、半導体のｎ層あるいはｎ−層に半透明金属膜が接した構造を持つ。ｎ層あるいはｎ-層と半透明金属膜が接する界面付近にはショットキー障壁が形成される。このショットキー障壁付近は半透明金属膜からｎ層あるいはｎ-層に電子が拡散して空乏層となる。この状態で入射光が照射されるとｎ層あるいはｎ-層に電子が生成され、逆バイアス電圧により空乏層内をドリフトする。また、ショットキー型のフォトダイオードでは、素子表面層での光吸収を有効に利用することが可能である。ｐｉｎ型フォトダイオードではフォトン吸収のためｉ層すなわち空乏層に十分な厚みを持たせる必要があるのに対し、ショットキーフォトダイオードでは空乏層を薄くすることが可能であるため、キャリア走行時間を短くすることができる。また、非特許文献１にあるように、ｐｉｎ型フォトダイオードにおいて、空乏層を薄くするためにラテラル電極構造にして、電極間隔を小さくする試みが行われているが、半導体表面層での光吸収効率が悪く、高速化は可能になるものの、高感度化は難しい課題となっている。【０００６】
一方、回路時定数を短くするために負荷抵抗の値を小さくすると、取り出せる再生信号の電圧が下がる。したがって、空乏層の電気容量を減らすことは、再生信号のＳＮ比を良くして読み取りエラーを減らすために必要である。特に、キャリア走行時間を短くするために空乏層を薄くすると電気容量は増加することから、高速化のためには空乏層あるいはショットキー接合の面積を減らす必要がある。しかし、接合面積を減らすことは信号光の利用効率を低下させ、結果的に再生信号のＳＮ比を劣化させるという問題を生じる。【０００７】
これらの課題に対し、近年の技術の発展に伴い、この種の光電変換デバイスにおいては、金属表面プラズモンあるいはフォトニック結晶構造を利用して従来よりもデバイスを高速化・小型化するための種々の試みが行われている。【０００８】
例えば、特許文献１には、半導体の同一面上に２つの電極を設置した金属／半導体／金属(ＭＳＭ)デバイスを用いた光検出器が述べられている。このＭＳＭ型光検出器は、一般に２つの電極付近に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。電極面を透過した光の一部は半導体層で吸収されてフォトキャリアを生成する。このようなＭＳＭ型光検出器においては、量子効率を上げる目的で半導体を厚くするとフォトキャリアの伝播距離が増すために動作速度が低下するという問題がある。この動作速度低下を防ぐため、特許文献１に記載の光検出器では、金属の電極が周期的な凹凸に沿って設けられ、入射光を金属電極の表面プラズモンと効率よく結合させて光検出器内に伝播させることができる。【０００９】
特許文献２には、半導体上に金属膜を形成し、その一部を酸化して光透過性絶縁パターンを形成することでＭＳＭ型受光素子を製造する方法が述べられている。【００１０】
特許文献３には、光透過性の絶縁パターンの幅を波長以下の寸法にして光透過性絶縁パターンの両脇にある金属膜の端部から発生する近接場光を利用することでＭＳＭ型受光素子の応答を高速化することが述べられている。【００１１】
特許文献４には、半導体上に規則的な間隔を持って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光電子カプラが述べられている。このようなデバイス構造を用いて、入射光と透過光、反射光、表面プラズモンポラリトンなどの間を、共振により結合させる技術について述べられている。光電子カプラ技術を用いたこの文献のＭＳＭ型受光素子では、入射光が生成するフォトキャリアが入射光と表面プラズモンとの結合により強められることが述べられている。しかし、これらの受光素子においては、空乏層の電気容量を減らすために入射光の照射面積を減らすと、検出信号の強度が低下しＳＮ比が低下するという問題がある。【００１２】
特許文献５には、太陽光エネルギーを用いた光起電力デバイスが述べられている。この光起電力デバイスでは、ｐｎ接合を持つ複数の球形上の半導体を挟んだ２つの電極の一方に、周期的に配列された開口あるいは凹部が設けられている。ここでは、周期的な形状を持つ電極における表面プラズモンと入射光とを共鳴させることを利用している。しかし、この技術においては、光電変換の高速化のために空乏層を薄くすること、および面積を小さくすることについては述べられていない。【００１３】
さらに、特許文献６には、単一の開口であってもその周囲に周期的な溝の列を設けることで、伝播する光を周期的な溝の列がない場合と比較して増強できる光伝送装置が述べられている。ただし、透過する光の総エネルギーは入射光エネルギーに比較して減衰することが知られており、文献(Tineke Thio, H. J. Lezec, T. W. Ebbesen, K. M. Pellerin, G. D. Lewen, A. Nahata, R. A. Linke, “Giant optical transmission of sub-wavelength apertures: physics and applications, “ Nanotechnology, vol. 13, pp. 429-432, Figure 4)によれば、波長の４０％以下の直径の開口において透過する光の総エネルギーは入射光エネルギーの１％以下に減衰する。したがって、この光伝送装置からの伝播光を受光素子に照射しても高いＳＮ比は得られない。【００１４】
さらに、特許文献７には、光吸収層をフォトニックバンドが形成されるよう多層膜構造として、吸収されて透過される光の群速度を小さくすることにより、物理的な吸収層厚を薄くして、受光効率を高めるＭＳＭ受光素子構造が述べられている。しかし、この構造においても、ＭＳＭ接合における接合面積を低減して素子容量を小さくすることは実現されていない。
【非特許文献１】S.J.KOESTER, G.Dehlinger,J.D.Schaub, J.O.Chu, Q.C.Ouyang, and A.Grill, “Germanium-on-InsulatorPhotodetectors”, 2nd International Conference on Group 4 Photonics,FB1 2005, (第１７２頁、図３)
【特許文献１】特開昭５９-１０８３７６号公報  (第４-１６頁、図１-３)
【特許文献２】特許第２６６６８８８号公報  (第３−４頁、図２)
【特許文献３】特許第２７０５７５７号公報  (第６頁、図１)
【特許文献４】特表平１０-５０９８０６号公報  (第２６−３３頁、図１)
【特許文献５】特開２００２-７６４１０号公報  (第６−９頁、図１)
【特許文献６】特開２０００-１７１７６３号公報  (第７−１０頁、図１０、図１７)
【特許文献７】特開２００５-１５０２９１号公報  (第５頁、図１)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＭＳＭフォトダイオードは、平面性およびシリコンＬＳＩとの互換性を提供する。しかし、ＳｉあるいはＳｉＧｅを用いた光検出器は長いキャリアライフタイム(〜１−１０μｓ)および低い光吸収率(〜１０−１００/ｃｍ)のために、一般的に遅い応答性を示す。また、化合物系半導体を用いた場合においても、ショットキー障壁型フォトダイオードは高速応答を示すものの、金属電極により実効的な受光面積が小さくなり、感度が低下してしまうという問題があった。また、ｐｉｎ型フォトダイオードにおいて、空乏層を薄層化するためにラテラル電極構造が提案されているが、電極間距離を小さくして高速性を得ることは可能であるものの、高感度化が難しいという問題があった。【００１６】
フォトダイオードの応答を高速化するためには、光吸収層を薄くしてキャリア走行時間を短くすること、および受光面積すなわち接合容量を小さくして回路時定数を小さくすることが必要となる。すなわち、一般的には受光感度と高速性とはトレードオフの関係となる。【００１７】
また、ショットキーフォトダイオードにおける電極形成においては、一般的にレジストマスクを用いたリフトオフプロセスが用いられるが、これによりデバイス作製プロセスにおける歩留まり低下およびリフトオフ残渣による電極間の電気的短絡が生じやすいことが問題である。【００１８】
本発明の目的は、フォトダイオードの受光感度と高速性を両立させるデバイス構造を提供することにある。また、本発明は、従来に比較して２桁以上小さい体積の光吸収層を可能とすることにより、高集積化および低消費電力化を実現するフォトダイオードを提供することを目的とする。さらに、本発明は、量産化および高集積化に適したフォトダイオードの製造方法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】
【００１９】
本発明のフォトダイオードは、半導体層と、半導体層の表面に互いに間隔ｄをおいて配置され、ＭＳＭ接合を形成する一対の金属電極と、を有している。間隔ｄは、入射光の波長をλとしたときに、λ＞ｄ＞λ／１００の関係を満たしている。一対の金属電極は、表面プラズモンを誘起することが可能で、少なくとも一方が半導体層とショットキー接合を形成し、半導体層の屈折率をｎとしたときに、下端部がλ/２ｎより小さい深さとなる位置まで半導体層に埋め込まれている。【００２０】
半導体層の表面から、近接場光が浸み出す厚さであるλ/２ｎよりも小さい距離だけ金属電極を半導体層中に埋め込んでいるので、表面プラズモン共鳴を発生させることにより、光電界強度が最大となる領域と光吸収層となる半導体空乏層領域とを一致させることが可能となる。したがって、非常に薄い光吸収層においても、高効率な感度特性が得られる。また、金属電極間の距離ｄが小さいため、低バイアス電圧においても高速・高感度な作動が可能となる。【００２１】
本発明の他の実施態様によれば、フォトダイオードは、半導体層と、半導体層の表面に互いに間隔ｄをおいて配置された一対の金属電極と、半導体層の、表面と反対側の面に接して設けられた対向電極と、を有している。間隔ｄは、入射光の波長をλとしたときに、λ＞ｄ＞λ／１００の関係を満たし、一対の金属電極は、表面プラズモンを誘起することが可能で、少なくとも一方が半導体層とショットキー接合を形成し、半導体層の屈折率をｎとしたときに、下端部がλ/２ｎより小さい深さとなる位置まで半導体層に埋め込まれている。【００２２】
本発明のさらに別の実施態様によれば、フォトダイオードは、半導体層と、半導体層の内部に互いに間隔をおいて配置され、ｐｉｎ接合を形成する一対のｐ電極およびｎ電極と、半導体層の表面に、互いに間隔ｄをおいて、ｐ電極およびｎ電極の各々の上に積層された、一対の金属膜と、を有している。間隔ｄは、入射光の波長をλとしたときに、λ＞ｄ＞λ／１００の関係を満たし、一対の金属膜は、表面プラズモンを誘起することが可能で、半導体層の屈折率をｎとしたときに、下端部がλ/２ｎより小さい深さとなる位置まで半導体層に埋め込まれている。【００２３】
一対の金属電極の表面からλ/２以下の距離だけ離れた位置に設けられた光閉じ込め構造を有し、光閉じ込め構造は、一対の金属電極で挟まれる領域と光結合する、内径λ以下または面積１０μｍ２以下の微小領域に入射光を閉じ込めるものであってもよい。【００２４】
同様に、一対の金属膜の表面からλ/２以下の距離だけ離れた位置に設けられた光閉じ込め構造を有し、光閉じ込め構造は、一対の金属膜で挟まれる領域と光結合する、内径λ以下または面積１０μｍ２以下の微小領域に入射光を閉じ込めるものであってもよい。【００２５】
本発明のフォトダイオードの製造方法は、基板上に形成された半導体層の表面に、エッチングによって、間隔ｄの一対の溝を形成するステップと、溝の形成された半導体層に金属層を積層するステップと、金属層をイオンビームによってエッチングし、溝のみに、λ/２ｎより小さい深さの金属電極（λは入射光の波長、ｎは半導体層の屈折率）を形成するステップと、を有している。【００２６】
本発明のフォトダイオードの製造方法は、さらに、金属電極の上に、間隔をおいて表面プラズモンを誘起させる導電性材料を積層するステップと、導電性材料の、一対の金属電極に挟まれる領域と対向する位置に、イオンビームエッチングによって、微小開口を設けるステップと、を有していてもよい。【００２７】
本発明の光通信デバイスは、上記のフォトダイオードを受光部に備えている。【００２８】
本発明の光インタコネクションモジュールは、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された上記のフォトダイオードと、シリコン基板上に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、を有している。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、波長以下の領域に光エネルギーを集光させ、これを効率的にフォトキャリアに変換して電気信号が得られる、高速でかつ高効率なフォトディテクターが実現される。また、高集積化した場合においても、歩留まりの高い低コストなフォトダイオード作製プロセスが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。
【図２】図２は本発明の第２の実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。
【図３】図３は表面プラズモン共鳴構造の平面図である。
【図４】図４は金属突起を備えた表面プラズモン共鳴構造の平面図である。
【図５】図５は表面プラズモン共鳴構造を備えたフォトダイオードの概略図である。
【図６】図６はフォトニック結晶線欠陥導波路の平面図である。
【図７】図７は本発明の第１の実施例であるＭＳＭフォトダイオードの断面図である。
【図８】図８は図７に示すＭＳＭフォトダイオードの平面図である。
【図９】図９は図７に示すフォトダイオードの感度特性を示すグラフである。
【図１０】図１０は本発明の第２の実施例のフォトダイオードの断面図である。
【図１１】図１１は本発明の第３の実施例のフォトダイオードの断面図である。
【図１２】図１２は表面プラズモン共鳴構造の概略構成図である。
【図１３】図１３はグレーティングの有無によるＭＳＭフォトダイオードの感度特性の比較を示すグラフである。
【図１４】図１４は本発明フォトダイオードの製造方法の一例を示す断面図である。
【図１５】図１５は微小突起を備えた光閉じ込め構造の概念図である。
【図１６】図１６は本発明の第６の実施例のフォトダイオードの断面図である。
【図１７】図１７は線欠陥型のフォトニック結晶光導波路を用いた他のフォトダイオードの構造を示す模式図である。
【図１８】図１８は図１７に示すフォトダイオードの感度特性の感度特性を示すグラフである。
【図１９】図１９は本発明の第７の実施例のフォトダイオードの断面図である。
【図２０】図２０は図１９に示すフォトダイオードの光導波路の製造方法を示す断面図である。
【図２１】図２１は図１９に示すフォトダイオードの感度特性を示すグラフである。
【図２２】図２２は本発明の第８の実施例のフォトダイオードの断面図である。
【図２３】図２３は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の概略断面図である。
【図２４】図２４は本発明のフォトダイオードを搭載したＬＳＩチップ間光インタコネクションモジュールの概略断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    半導体層
２    金属電極
３    埋め込み酸化層
４    保護層
５    負荷抵抗
６    バイアス電源
７    酸化膜
８    支持基板
９    ｐ電極
１０    ｎ電極
１１    金属膜
１２    金属膜
１３    凹凸部
１４    微小開口
１５    金属突起
１６    表面プラズモン共鳴構造
１７    高誘電率媒質
１８    孔
１９    線欠陥部
２０    フォトニック結晶線欠陥光導波路
２１    電極パッド
２２    ショットキー電極
２３    対向電極層
２４    Ｇｅ選択成長層
２５    バッファ層
２６    光導波路コア
２７    クラッド層
２８    ＳＯＩ層
２９    ＳｉＯＮコア層
３０    リング型光共振器
３１    光導波路コア
３２    光ファイバ
３３    信号光
３４    フォトダイオード
３５    モジュール筐体
３６    電気配線
３７    プリアンプＩＣ
３８    チップキャリア
３９    ＶＣＳＥＬ光源
４０    光源および変調用電気配線ビア
４１    フォトダイオード用電気配線ビア
４２    ＬＳＩ
４３    光源変調用電気配線層
４４    フォトダイオード用電気配線層
４５    光信号出力ファイバ
４６    光信号入力ファイバ
４７    ＬＳＩ搭載ボード
４８    凹面鏡
４９    フォトダイオード/光源搭載ボード
５１    第１の金属膜
５２    第２の金属膜
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明のフォトダイオードは、半導体表面に間隔ｄをおいて配置されたＭＳＭ(金属−半導体−金属)接合、あるいは半導体表面に間隔をおいて形成されたｐｉｎ接合とその上に間隔ｄをおいて積層された金属膜とを備えたフォトダイオードである。間隔ｄは、入射する光波長λより小さく、かつ光波長λの１００分の１より大きくされている。ＭＳＭ接合あるいはｐｉｎ接合において用いられる金属膜は、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料からなり、ｎを半導体層の屈折率とした時、その下端が、半導体表面からλ/２ｎより小さい距離だけ半導体中に埋込まれた位置にある。さらに、ＭＳＭ接合あるいはｐｉｎ接合において用いられる金属膜の表面からλ/２以下の距離だけ離れた位置に、光波長λ以下の領域あるいは１０μｍ２以下の領域に光を閉じ込める構造が設けられ、これとＭＳＭフォトダイオードまたはｐｉｎフォトダイオードが光結合している。ここで、上記の領域は、半導体層の表面における光スポットサイズを意味する。【００３３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。支持基板８の上に埋め込み酸化層３が形成され、その上に光吸収層である半導体層１が形成されている。半導体層１の周囲は酸化膜７となっている。半導体層１の表面には、金属電極２が形成されている。一対の金属電極２は、入射する光の波長λより小さい間隔ｄをおいて配置されており、ＭＳＭ接合を形成している。半導体層１の屈折率をｎとした時に、金属電極２は、λ/２ｎより小さい距離ｆだけ半導体層１の中に埋め込まれている。金属電極２は、半導体層１とショットキー接合を形成する第１の金属膜５１と、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料からなる第２の金属膜５２とからなる。ただし、第１の金属膜５１と第２の金属膜５２を一種類の膜で構成することもできる。この場合は、金属電極２は一層構成となる。【００３４】
従来、半導体層の表面に形成された金属電極は、フォトダイオードの受光面を遮るため、受光感度が悪くなるという課題があった。あるいは表面プラズモン共鳴を生じさせる電極間隔を取った場合においても、光電界強度の強い領域は半導体の外の領域にあり、効率的なフォトキャリアの生成ができないという問題があった。これに対し、半導体層の表面から、近接場光が浸み出す厚さであるλ/２ｎよりも小さい距離だけ金属電極を半導体層中に埋め込み、ＴＭ波による光入射を行ってプラズモン共鳴を発生させることにより、光電界強度が最大となる領域と光吸収層となる半導体空乏層領域とを一致させることが可能となる。したがって、非常に薄い光吸収層においても、高効率な感度特性が得られることになる。【００３５】
また、金属と半導体との間にショットキー接合を形成した場合、ドーピング濃度が１０１５〜１０１６ｃｍ-３の条件で、２００ｎｍ以上の空乏層領域がゼロバイアスにおいても形成される。したがって、電極間距離を小さくすることにより、低バイアス電圧においても高速・高感度なフォトダイオード動作が可能となる。【００３６】
半導体層１の厚みを２００ｎｍ以下とすることにより、Ｓｉのようなフォトキャリアの易動度が１０７ｃｍ/ｓ程度の半導体材料においても、フォトキャリアの電極間のドリフト時間は数ｐｓであると見積られる。半導体層１の厚みを１μｍ以下にした場合でも、ドリフト時間を２０ｐｓ以下にすることが可能である。また、金属電極２の距離ｄを１００ｎｍ程度とした時、ＭＳＭ接合面積を１０μｍ２以下とすることにより、接合電気容量は１０ ｆＦ以下となり、１００μｍ２以下とした場合においても１００ ｆＦ以下となる。すなわち、負荷抵抗を５０Ωと仮定すると、回路時定数はそれぞれ１ｐｓおよび１０ｐｓとなり、非常に高速な応答が実現される。ここで、接合面積とは、ＭＳＭ接合の場合、複数配置されたＭＳＭ電極の端から端までの領域の面積である。ｐｉｎ接合の場合、本発明ではラテラルピン構造を想定していることから、複数のｐ電極、ｎ電極の端から端までの領域の面積を意味する。【００３７】
本発明は、一方の金属−半導体接合がショットキー障壁型の接合からなり、もう一方の金属−半導体接合がオーミック接合の場合にも適用できる。この場合でも、間隔ｄが光波長λより小さく形成され、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料からなる電極がλ/２ｎより小さい距離だけ半導体中に埋め込まれていれば、高効率と高速化を両立させるフォトダイオード特性を得ることができる。半導体表面に間隔をおいてショットキー接合を配置して、光吸収層である空乏層を介して基板側に対向電極を形成した構造の場合も同様である。【００３８】
図２は、本発明の第２の実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。半導体層１の内部には、ｐ電極９とｎ電極１０が所定の間隔で設けられ、ｐｉｎ接合を形成している。その上に、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料からなる金属膜１１が、半導体層１の表面に露出して形成されている。ｐ電極９あるいはｎ電極１０上に積層された金属膜１１の間隔ｄは、入射する光波長λより小さく、かつλの１００分の１より大きくされている。ｎを半導体層１の屈折率とした時、金属膜１１は、半導体層１の表面からλ/２ｎより小さい距離ｆだけ、半導体層１の中に埋め込まれている。【００３９】
半導体層１の表面からλ/２ｎより小さい距離ｆだけ半導体層中に埋め込んで配置された金属膜１１は、図２のようなラテラル電極構造のｐｉｎフォトダイオードにおいても、半導体層１のｐ電極９とｎ電極１０とに挟まれた領域に、表面プラズモンにより光エネルギーを閉じ込め、局所的に強い光学電場分布を生じさせることを可能とする。従来から、ラテラル電極構造のｐｉｎフォトダイオードにおいて、電極間距離を小さくすることにより高速化が可能となることが報告されている。しかし、本発明ではさらに、ｐ電極９およびｎ電極１０の上に表面プラズモンを誘起することが可能な金属膜１１を積層し、金属膜１１を、光吸収層である半導体層１の表面からλ/２ｎより小さい距離ｆだけ埋め込んだ構造とすることにより、高速性と高効率な感度特性を併せ持つフォトダイオードを実現することが可能となる。また、表面プラズモンを誘起可能な導電性材料は、一般的に高い導電率を有する材料からなるため、小型化したフォトダイオードの高周波域におけるインピーダンスを小さくするためにも非常に有効である。したがって、高速高感度と、高周波域における高ＳＮ比を両立できるフォトダイオードが実現される。【００４０】
図３は、入射光を光波長以下のサイズ（内径）に閉じ込める光閉じ込め構造として機能する、表面プラズモン共鳴構造の平面図である。一般的に、金属膜に形成された波長以下の微小な開口には、光の伝播モードが存在しないため、光を入射させた場合には非常に小さい透過効率しか得られない。これに対し、図３に示すように、導電性膜である金属膜１２に形成された微小開口１４の周囲に周期的な凹凸部１３を設けることにより、入射光を金属膜１２の表面に誘起される表面プラズモンと結合させ、さらに表面プラズモンとして光エネルギーを微小開口１４に集光することが可能となり、透過光強度を大幅に増幅することができる。この効果は表面プラズモン増強効果と呼ばれる。周期的とは、微小開口１４を中心として凹部と凸部が同心円状に交互に分布することをいう。【００４１】
金属膜１２の表面に発生した表面プラズモンが集光されることにより、微小開口１４を介して、微小開口１４の出射側に強い近接場が誘起される。誘起される近接場は、入射側で集光された表面プラズモンが微小開口１４のエッジにおいて散乱されることにより生じるものであり、近接場として局在する成分と散乱されて伝播光へと変換される成分とが存在する。【００４２】
表面プラズモンの分散関係は以下の数式１で表される。【００４３】
【数１】
2007105593.tif 000003
ここで、εｍとεｄは、表面プラズモンを生じる金属とこれに隣接している誘電体の誘電率である。
さらに、表面プラズモンの伝播長は以下の数式２で表される。【００４４】
【数２】
2007105593.tif 000004
ここで、金属の複素誘電率εｍをεｍ’+ｉεｍ”と表した。【００４５】
すなわち、表面プラズモンの光学損失は、金属膜の誘電率の虚数部と実数部の二乗の比に大きく依存している。金属膜１２は、アルミニウム、銀、金、銅のいずれか、あるいはアルミニウム、銀、金、銅の少なくとも二種類からなる合金層からなることが望ましい。また、表面プラズモンの伝播損失の低減として、金属表面のランダムな凹凸を小さくすることは非常に重要である。このため、下地層としてＴａ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒなどを使用するか、あるいはＮｂなどの元素を金属膜１２に微量添加して合金化することも効果がある。【００４６】
また、微小開口１４に少なくとも一つの金属突起を形成することにより、表面プラズモンによるダイポール共鳴が励起され、微小開口１４の出口から、より強い近接場光を出射することが可能である。図４に示すように、金属突起１５を互いに対向する少なくとも一組の突起構造とすることにより、さらに小さい領域において近接場光強度を強めることが可能となる。【００４７】
このような金属突起１５は、局在したプラズモン共鳴を生じさせるものであり、表面プラズモンの光学損失と同様の観点から、アルミニウム、銀、金、または銅からなることが望ましい。あるいは、金属突起１５は、アルミニウム、銀、金、および銅のうち、少なくとも二種類を含む合金層であってもよい。【００４８】
図５は、表面プラズモン共鳴構造を備えたフォトダイオードの概略図であり、同図（ａ），（ｂ）に各々平面図と断面図を示している。微小開口１４の出口からλ/２以下の距離ｇだけ離れた位置に金属電極２が形成されており、微小開口１４と光結合されている。このため、微小開口１４の出口における近接場成分と伝播光成分の両方を、表面プラズモンとして、半導体層１の表面の波長以下の領域に局在させることができる。【００４９】
この表面プラズモンによる近接場光の強度分布は、ＭＳＭ電極配置や半導体層の屈折率および吸収係数の影響を受けて、その強度および浸み出しの範囲が変化する。これにより、半導体層の非常に小さい領域において、電子・正孔対(フォトキャリア)を生成することが可能となる。したがって、ＭＳＭ電極により形成される半導体層中における空乏化領域と近接場によるフォトキャリアの生成領域を一致させることができる。それによって、効率的なフォトキャリア形成と局所的なフォトキャリアの走行が実現でき、高い量子効率と高速応答特性を具備したフォトダイオードが可能となる。また、フォトキャリアを生成して掃引するための金属電極の接合領域は、１０μｍ２以下のサイズにすることができる。その結果、接合電気容量を極めて小さくすることが可能となる。したがって、フォトダイオードを高周波動作させる場合の回路時定数を数ピコ秒以下にすることが可能となり、数十ＧＨｚ以上の高周波動作が実現される。【００５０】
光波長以下のサイズ（内径）に光を閉じ込めるために、２次元フォトニック結晶を利用することも有効である。この２次元フォトニック結晶体は、高誘電率媒質の中に微細径のフォトニック結晶の孔を三角格子状あるいは正方格子状に配列した構造を有している。高誘電率媒質には、通常半導体(その多くは比誘電率が約１２)が用いられる。この２次元三角格子フォトニック結晶の場合、フォトニックバンドギャップが得られる孔のピッチ(格子定数)と孔径の組み合わせの目安は、例えば、「フォトニック・クリスタルズ・モデリング・ザ・フロー・オブ・ライト」の１２５〜１２６頁(「J. D. Joannopoulos, R. D. Meade and J. N. Winn, Photonic Crystals, Modeling the Flow of Light」Princeton University Press, pp. 125〜126)に開示されている。孔の半径をｒ、フォトニック結晶の円孔のピッチをａ、光の角周波数をω、真空中の光速をｃとするとき、例えば、誘電率１１.４の誘電体基板に三角格子上にフォトニック結晶の円孔を配列する場合であれば、(ｒ/ａ)が０.４８で、{(ω×ａ)/(２π×ｃ)}が０.５程度の時に、電界の振動方向と孔が延びている向きの関係に依らず、フォトニックバンドギャップが生じる。【００５１】
図６は、２次元三角格子フォトニック結晶構造を用いて作られたフォトニック結晶線欠陥導波路の平面図である。フォトニック結晶線欠陥光導波路２０は、２次元三角格子フォトニック結晶構造を２枚近接配置して形成されている。高誘電率媒質１７の中には、多数の孔１８が三角格子状に配列されている。多数の孔１８の中間部に１列の無孔部分、すなわち、線欠陥部１９が形成されている。これにより、フォトニックバンドギャップ内の角振動数の光は、線欠陥部１９以外の完全結晶部分を伝播することはできないが、線欠陥部１９の部分は伝播できるようになる。すなわち、線欠陥部１９は波長以下のサイズに光電界分布を閉じ込めた光導波路として機能することになる。本発明においては、このような閉じ込めの強い光導波路に光波長の１/２以下の距離で隣接してＭＳＭフォトダイオードを配置することにより、非常に小さい領域での光結合が可能となり、高感度化と高速化の両立が実現される。【００５２】
光を波長以下あるいは１０μｍ２以下のサイズに閉じ込めるために、コアとクラッド層との屈折率差を５％以上にした光導波路を利用することも可能である。このようなチャネル型光導波路は、コアの周りをそれよりも屈折率の小さい媒質で取り囲んだ構造を有しており、コアとクラッド層間の屈折率の差によって全反射を繰り返しながら伝播することが知られている。この場合、コアとクラッド層の屈折率差が大きければ、光はコアに強く閉じ込められ、導波路を小さな曲率で急激に曲げても、光はそれに沿って導波される。屈折率差を５％以上とすることにより、１０μｍ以下のサイズの光スポット径を実現することが可能となる。さらに、コアとクラッド層との屈折率差を１０〜４０％程度とすることにより、波長以下のサイズの光スポット径を実現することが可能となる。なお、光導波路は、誘電体材料、有機化合物、または半導体材料から製作することができる。【００５３】
導波路コアの屈折率をＳｉなどの半導体を仮定して３.４とし、断面サイズを０.３μｍ×０.３μｍ程度とし、その周りを屈折率が１.５程度のＳｉＯ２などからなるクラッド層で覆った構造において、光のモードサイズは導波路コアとほぼ同等のサイズにまで小さくすることが可能となる。また、導波させる光の波長が８５０ｎｍ程度の場合においては、Ｓｉ導波路では光吸収による導波損失が発生してしまうため、広い波長範囲に渡って損失の無視できる光透過特性を示すＳｉＯＮなどを導波路コアとし、その周りをＳｉＯ２からなるクラッドで覆うことにより、屈折率差を５％以上にすることが可能となる。この場合は、光の閉じ込めが半導体コアを用いた場合に比較して弱くなるため、光スポット径は１〜４μｍ程度になる。【００５４】
このような閉じ込めの強い光導波路に隣接して、光波長の１/２以下の距離で隣接してＭＳＭフォトダイオードを配置することにより、非常に小さい領域での光結合が可能となり、高感度化と高速化の両立が実現される。【００５５】
また、このようなフォトニック結晶型光導波路あるいは閉じ込めの強いチャネル型光導波路とＭＳＭフォトダイオードを結合させる場合、ＭＳＭ接合に対して導波光を垂直方向から入射させるよう、導波路端面を斜めカットなどして曲げるか、あるいは水平方向に隣接させた場合においても、十分な光結合を実現することが可能である。この場合、光の伝播モードはＭＳＭフォトダイオードにおける光吸収層とほぼ同じ高さに配置されることが望ましい。【００５６】
さらに、閉じ込めの強いチャネル型光導波路をリング構造として、共振器構造を取ることにより、導波光の群速度を小さくすることが可能となり、光波長の１/２以下の距離においてＭＳＭ接合を近接させることにより、さらに効率的に光エネルギーをフォトカレントに変換することが可能となる。この時、リング型光共振器構造は、ＭＳＭフォトダイオードの上方に配置するか、あるいは横方向に配置して光結合させることが望ましい。【００５７】
なお、金属電極と光閉じ込め構造との間には、光結合の媒体となる誘電膜を設けてもよい。【００５８】
ＭＳＭ接合を利用したショットキー障壁型フォトダイオードの金属電極２、あるいはラテラルｐｉｎ接合上に電極９，１０および金属膜１１を作製する際、ガスクラスターイオンビームを用いることが望ましい。表面プラズモン共鳴構造に微小開口１４を作成する場合も同様である。ガスクラスターイオンビームは、Ａｒあるいは反応性ガスを数百から数千個の原子あるいは分子からなるクラスターとしてイオン化したビームである。レジストマスクを用いたリフトオフプロセスではなく、ガスクラスターイオンビームを用いることにより、加工精度が上がると共に、イオンビームエッチングを用いた場合に比較して低ダメージの加工プロセスが実現される。エッチングされた金属残渣は真空中に放出されるかあるいはレジストマスクの側壁に付着するため、レジスト除去と同時に残渣を効率よく除去することができる。したがって、ＬＳＩプロセスに適用した際、高集積プロセスにおける歩留まりが向上し、低コストのデバイスが実現できる。【００５９】
本発明において用いられる光の波長領域は、可視光、近赤外光、および赤外光を含む広い波長域に渡る。しかし、表面プラズモン共鳴を誘起する金属周期構造、光を効率的に閉じ込めて伝送させるフォトニック結晶光導波路、チャネル型光導波路、あるいはリング型光導波路、およびＭＳＭ電極のサイズを調整することにより、波長以下の領域において効率的にフォトキャリアを生成して電気信号を得る高速なフォトディテクターが得られる。【００６０】
次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００６１】
図７，８は、本発明の第１の実施例であるＭＳＭフォトダイオードの断面図および平面図である。ＭＳＭ型のフォトダイオードは、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)など表面が絶縁された半導体層１の一部の上に形成された、金属−半導体−金属(ＭＳＭ)接合を形成している。金属電極２間の間隔ｄは入射する光波長λより小さく、かつλの１００分の１より大きい。ｎを半導体層１の屈折率とした時、金属電極２は、半導体層１の表面からλ/２ｎより小さい距離ｆだけ半導体層１中に埋め込まれている。金属電極２（または、少なくとも第２の金属膜５２）は、表面プラズモンを誘起するために、アルミニウム、銀、金、銅のいずれか、あるいはアルミニウム、銀、金、銅の少なくとも二種類からなる合金を使用することが望ましい。ショットキー接合を形成するために、Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｉ等の下地膜を用いることも可能である。さらに対向する電極膜としてＴｉなどを下地膜として使用することにより、オーミック接合を形成することも可能である。金属電極２の上には、ＳｉＯ２などの保護層４が形成されていてもよく、これを光学的反射防止膜として利用することも可能である。【００６２】
図９は、厚さ３０ｎｍのＡｇ電極をＳｉ半導体表面に埋め込みなしで形成した場合と、半導体表面からλ/２ｎより小さい距離だけ埋め込んだ場合における、感度特性を比較したものである。ＭＳＭ接合を構成する金属電極の幅および電極間のスペーシングは１００ｎｍ、金属電極の埋め込み深さは３０ｎｍとした。電磁界計算から得られる表面プラズモンの共鳴波長は８５０ｎｍであることから、８５０ｎｍ波長、パワー１ｍＷのレーザ光を入射してフォトカレントを観測した。Ａｇ電極をＳｉ半導体中に埋め込んだ構成とすることにより、２桁以上のフォトカレントが得られることが分かり、この時の量子効率は３０％程度であった。
【実施例２】
【００６３】
図１０は、本発明の第２の実施例のフォトダイオードの断面図である。半導体層１の表面には、間隔ｄをおいて、ショットキー接合を形成するショットキー電極２２が配置されている。ショットキー電極２２は、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料から形成されている。光吸収層である空乏層(半導体層１)を介した支持基板８側には、対向電極層２３が形成されている。ショットキー電極２２の間隔ｄは光波長λより小さくされている。ｎを半導体層１の屈折率とした時、ショットキー電極２２は、λ/２ｎより小さい距離ｆだけ半導体層１中に埋め込まれている。【００６４】
対向電極層２３としては、Ｐなどのドーパント濃度を１×１０２０ｃｍ-３以上としたｎ+−Ｓｉ層を、半導体層１としては、光吸収層であるｎ-Ｓｉ層を使用することができる。半導体層１は対向電極層２３上にエピタキシャル成長させる必要があるが、成長温度を８００℃以上に上昇させるとドーパント元素の熱拡散により、光吸収層のドーパント濃度が高くなり、空乏化電圧が増大し、さらにショットキー接合を形成した時の空乏層の厚さが小さくなる。すなわち、低電圧で高速駆動することが難しくなる。したがって、ｎ+−Ｓｉ層上に薄い光吸収層を形成する場合は、６００℃以下の低温でエピタキシャル成長させる技術が必要である。【００６５】
表面プラズモン共鳴による光電場増強効果は、電極間の水平方向だけではなく、電極下方に生じさせることが可能である。本実施例では、表面プラズモンによる光電場増強が、電極下方のショットキー接合界面に生じるような設計を行い、フォトキャリアが生成される領域とバイアス電圧印加により空乏化される領域とを一致させた。
【実施例３】
【００６６】
図１１は、本発明の第３の実施例のフォトダイオードの断面図である。半導体層１の表面には、ｐ電極９あるいはｎ電極１０上に金属膜１１が積層した積層体が配置され、少なくとも一つのｐ-ｉ-ｎ接合を形成している。ｐ電極９あるいはｎ電極１０上に積層された金属膜１１の間隔ｄは、入射する光波長λより小さく、かつλの１００分の１より大きくなるようにされている。金属膜１１は表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料からなり、ｎを半導体層１の屈折率とした時、金属膜１１は、半導体層１の表面からλ/２ｎより小さい距離ｆだけ半導体層１中に埋め込まれている。金属膜１１は、表面プラズモンを誘起するために、アルミニウム、銀、金、銅のいずれか、あるいはアルミニウム、銀、金、銅の少なくとも二種類からなる合金を使用することが望ましい。【００６７】
本実施例のフォトダイオードを製作するには、まず、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)基板に、光波長λより小さい間隔のトレンチ構造を、Ｃ４Ｆ８およびＳＦ６を用いた反応性エッチングにより形成する。次に、トレンチ構造内に有機金属気相成長法により、ｐ型およびｎ型のポリシリコン層を選択的に成長させる。トレンチ構造の途中で選択成長をストップさせ、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料であるアルミニウム、金、銀、あるいは銅などを、ポリシリコン層との密着性を改善するためのＴｉなどの下地層を介して積層する。導電性材料と光吸収層であるｉ-層（半導体層１）との間には、暗電流を抑えるために、ＳｉＯ２などの絶縁層が数ｎｍ程度挿入されていてもよい。表面プラズモンによる近接場光増強が、金属電極間に挟まれた光吸収層であるｉ-層中で生じるように設計することにより、Ｓｉフォトダイオードにおいても、５０％以上の量子効率が実現可能である。さらに、Ｇｅ層を吸収層として成長させたフォトダイオードでは、９０％以上の量子効率を得ることが可能である。
【実施例４】
【００６８】
本発明の第４の実施例として、上記のＭＳＭ接合と組み合わされる表面プラズモン共鳴構造について述べる。図１２は、光閉じ込め構造として機能する表面プラズモン共鳴構造の概略構成図であり、同図（ａ）が平面図、同図（ｂ）が断面図である。表面プラズモン共鳴構造１６は、表面プラズモン共鳴を生じさせるグレーティング形状（凹凸部１３）と、その中心部に形成された直径λ以下の微小開口１４とを備えた、Ａｇ等からなる金属膜１２を有している。表面プラズモン共鳴構造１６は、ＭＳＭ接合からλ／２以下の距離だけ離れた位置に設けられ、入射光を波長以下の領域に閉じ込める。グレーティング構造の周期は、入射光波長に対してプラズモン共鳴が生じるよう設定される。グレーティングの形状は図１２（ｂ）に示す矩形断面だけでなく、三角形状や正弦波形状などを取ることもできる。これらの形状では、共鳴波長は矩形断面に比較して短波長側にシフトする。また、グレーティング形状の代わりに、互いに誘電関数の異なる２種類以上の媒質を周期的に配列してなる多層膜構造を用いることもできる。【００６９】
図１３は、プラズモン共鳴を生じさせるグレーティング形状がある場合とない場合のＭＳＭフォトダイオードの感度特性を比較したものである。入射光波長は８４０ｎｍ、パワーは１ｍＷとした。グレーティング構造を形成することにより、２桁以上のフォトカレントが得られ、５０％以上の量子効率が得られた。【００７０】
（製法）
次に、以上説明したフォトダイオードの製造方法を、第１および第４の実施例を例に説明する。図１４は、本発明のフォトダイオードの製造工程を示す断面図である。【００７１】
まず、図１４(ａ)に示すようなｎ型ドープされたＳＯＩ基板を準備した。すなわち、Ｓｉの支持基板８の上に埋め込み酸化層３を形成する。支持基板８の抵抗率は１〜１０Ω・ｃｍ程度であり、ドーピング濃度は１０１５〜１０１６ ｃｍ-３程度とした。【００７２】
次に、図１４(ｂ)に示すように、ｎ型ＳＯＩ層（半導体層１）を、ＳｉＮｘ膜をマスク６１として反応性エッチングによりパターニングし、接合サイズを規定した。反応性ガスとして、Ｃ４Ｆ８およびＳＦ６ガスを混合して用いた。さらに、これを１０００℃で１４０分程度の水蒸気中熱処理をおこなうことにより、ＭＳＭ接合を作製するための土台となるメサ構造を形成した。なお、半導体層１の側方は酸化膜７で覆われる。【００７３】
次に、図１４(ｃ)に示すように、マスク６１を約１３０℃の熱燐酸中に約１時間置くことにより除去した。この時、メサ形状および熱酸化処理を最適化することにより比較的平坦な表面を実現することが可能である。さらに化学的ポリッシング(ＣＭＰ)処理を施すことにより、数ｎｍ程度の平坦性を実現できる。【００７４】
次に、作製されたメサ形状の表面に、ショットキー接合を形成するための金属層を成膜した。すなわち、図１４(ｄ)に示すように、反応性エッチングにより半導体メサ表面に、間隔ｄの溝パターン６２を形成し、さらに図１４(ｅ)に示すように、金属電極２を積層した。具体的には、溝パターン６２が形成された半導体層１に金属層を積層し、溝パターン６２の上部にレジストパターン（図示せず）を形成した後、Ａｒガスクラスターイオンを用いたエッチングにより、レジストパターンで覆われた部位以外の金属層を除去し、溝パターン６２内に金属電極２を形成した。これによって、半導体層１中に金属電極２が埋め込まれた構造が形成された。溝パターン６２に形成された金属電極２の距離ｄを調整することにより、任意の波長でプラズモン共鳴を発生させることが可能であり、ＭＳＭフォトダイオードの受光効率を２〜３桁程度改善することが可能となる。【００７５】
次に、図１４(ｆ)に示すように、作製したＭＳＭフォトダイオード上に、ＳｉＯ２などの、光学吸収を無視できる保護膜４を形成した。保護膜４は、ＭＳＭフォトダイオード上に後工程で形成される光閉じ込め構造と、ＭＳＭフォトダイオードとが光結合する際の媒体となる層であり、検出する光波長をλ、保護膜４の屈折率をｎｐａｓとした時、λ/ｎｐａｓ以下の膜厚であることが望ましい。【００７６】
次に、図１４(ｇ)に示すように、保護膜４上に表面プラズモン共鳴を生じさせるグレーティングを形成するために、反応性エッチングにより保護膜４に周期的な溝６３を形成した。さらに、図１４(ｈ)に示すように、表面プラズモンの励起媒体となるＡｇあるいはＡｕからなる金属膜１２をスパッタリング法あるいは蒸着法により積層した。この時ＣｒあるいはＴｉのような下地を形成して、Ａｇ膜およびＡｕ膜の結晶性および平滑性を改善することも可能である。【００７７】
最後に、図１４(ｉ)に示すように、作製したグレーティング形状の中央部（金属電極２と対向する位置）にＡｒガスクラスターイオンを用いたエッチング加工により、波長以下のサイズの微小開口１４を形成した。マスクとして、レジストマスクあるいはＳｉＯ２のようなハードマスクを用いた。さらに、エッチング量をモニターするために、質量分析器をエッチング装置に装着し、０.１ｎｍ以下の精度でエッチングの終端検出を行った。【００７８】
なお、以上は、ＭＳＭフォトダイオードの製造方法の一例であるが、第２の実施例、あるいは第３の実施例のようなｐ-ｉ-ｎ接合においても同様の製造方法を用いることができる。第３の実施例の場合、図１４(ｅ)に示すステップにおいて、各溝にｐ電極層またはｎ電極層を選択的に積層され、さらにｐ電極層およびｎ電極層の上方に金属層を積層されるように、溝パターンの形成された半導体層に、ｐ電極層、ｎ電極層、および金属層を積層する。
【実施例５】
【００７９】
図１５は、微小突起を備えた光閉じ込め構造の概念図である。同図(ａ)に示すように、表面プラズモン共鳴を生じさせる凹凸部１３の中央部に形成された微小開口部１４に、プラズモンによるダイポール共鳴を生じさせる金属突起１５が設けられている。金属突起１５は、微小開口１４の周縁部から微小開口１４内に張り出している。このような金属突起形状を設けることにより、光波長の１/４以下の領域に光エネルギーを閉じ込めることが可能となり、これと光結合するＭＳＭ接合をさらに小さくすることができ、１００ＧＨｚ相当の高速応答を得ることが可能となる。また、図１５(ｂ)，(ｃ)に示すように金属突起形状１５を互いに対向する少なくとも一対の金属突起として構成することもできる。これによって、入射光の偏光依存性が大きく改善される。【００８０】
上記の第１〜３の実施例において、半導体層として、Ｓｉの代わりにＧｅ，ＳｉｘＧｅ１-ｘ，ＳｉＧｅなど他のＩＶ族元素半導体を用いることもできる。また、ＧａＮ系，ＧａＡｓ系，ＧａＩｎＡｓ系，ＧａＩｎＰ系，ＩｎＰ系など、III-Ｖ族化合粒半導体を用いることもできる。これらの材料は、バンドギャップと吸収係数により制限される波長限界に基づいて選択される。Ｓｉの場合は４００〜９００ｎｍ、Ｇｅの場合は４００〜１４００ｎｍ、ＩｎＰ上に成長させたＩｎＧａＡｓでは１３００〜１６００ｎｍ付近の波長で優れたフォトダイオード特性が得られる。Ｇｅを用いる場合は、ＳＯＩ基板の代わりにＧＯＩ(Germanium On Insulator)基板を用いるか、Ｓｉ上に金属有機化学気相合成法や分子ビームエピタキシー法などを用いて、結晶性の良いＧｅ層を成長させることにより吸収層を形成する。Ｇｅを用いる場合、ショットキー接合の形成が難しいことが知られている。したがって、Ｇｅ上にＮｉなどを蒸着して４００〜６００℃程度の温度でアニールすることによりＮｉＧｅ合金層を形成して、ショットキー接合を形成することが望ましい。さらに、この合金層上にＡｇあるいはＡｕなどの、表面プラズモンの伝播損失の小さい膜を形成することにより、微小開口からの近接場光との結合効率を改善することができる。
【実施例６】
【００８１】
図１６は、ＭＳＭフォトダイオードとフォトニック結晶光導波路とを結合した構造の断面図である。フォトニック結晶光導波路は、Ｓｉ層の厚みが２００−４００ｎｍのＳＯＩ基板を用いて形成した。まず、基板表面に電子ビーム露光用のレジストを塗布する。次いで、電子ビーム露光装置を使用して、円筒形の孔がマトリクス状に配列したレジストパターンを形成した。このレジストパターンは、円筒形状の直径を２００−２４０ｎｍ、配列ピッチを３４０−３８０ｎｍとした。そして、このようなレジストマスクを形成した後、反応性イオンエッチング法によりＳＯＩ基板表面のＳｉ層にレジストマスクパターンと同じ形状の円筒形の孔を形成して、レジスト除去を行った。【００８２】
このような周期的に配列する孔形状によって、フォトニックバンドギャップが形成され、バンドギャップに相当する角周波数の光の伝播モードが存在しないことが知られている。したがって、図１６に示すように、このようなフォトニックバンドギャップを線状の光導波路の横に隣接して配置した、線欠陥型フォトニック結晶導波路２０により、波長以下のサイズに光電界分布を閉じ込めることができる。【００８３】
図１７は、線欠陥型のフォトニック結晶光導波路を用いた他のフォトダイオードの構造を示す模式図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。ＭＳＭフォトダイオードは、Ｓｉ層をエッチングして薄層化し、薄層化されたＳｉ上に、格子歪を緩和するバッファ層２５、さらに光吸収層となるＳｉＧｅあるいはＧｅの選択成長層２４を有機金属化学気相合成法により成長させて形成されている。ＭＳＭフォトダイオードは、フォトニック結晶光導波路２０の端部に設けられている。ＭＳＭフォトダイオードとフォトニック結晶線欠陥光導波路２０とが光結合するよう、光導波路端とＭＳＭ電極間が波長以下の距離になるよう、ＳｉＧｅ層あるいはＧｅ層の成長位置を選択気相成長法により制御する。【００８４】
図１８は、１３３０ｎｍ波長のレーザ光を１ｍＷのパワーで入射した時のフォトカレントのバイアス電圧依存性を示したものである。フォトニック結晶線欠陥光導波路における光導波損失の影響もあるが、量子効率に換算して３０％程度の値が得られた。
【実施例７】
【００８５】
図１９は、ＭＳＭフォトダイオードとチャネル型光導波路が結合した構造の断面図である。チャネル型光導波路は、ＳｉＯＮからなる光導波路コア２６と、光導波路コア２６との屈折率差の大きいクラッド層２７とを有している。このチャネル型光導波路は以下のようにして製作される。まず、図２０(ａ)に示すように、ＳＯＩ基板上の光導波路を形成する部分のＳｉ層(ＳＯＩ層２８)を反応性エッチングによりエッチングして、クラッド層となるＳｉＯ２層を露出させる。さらに、図２０(ｂ)に示すように、この上にクラッドとなるＳｉＯ２層(保護層４)を積層した後、さらにコアとクラッドの屈折率差が５％以上となるように、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ４、ＮＨ３およびＯ２を使用したプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯＮコア層２９の成長を行う。そして、Ｏ-Ｈ基あるいはＮ-Ｈ基による吸収を低減し結晶性を改善するために、７００〜１３００℃にてアニール処理を施す。次に、コア形状を形成するため反応性エッチング法により、０.７−４μｍ幅の矩形状にＳｉＯＮコア層２９のエッチング加工を施す。そして、さらに上部クラッド層としてプラズマＣＶＤ法により、多量のＡｒでバブリングしたＴＥＯＳ(テトラエチルオルソシリケート)およびＯ２を混合した原料ガスを使用してＳｉＯ２層を数μｍ程度の厚みで成長させて光導波路とした。【００８６】
次に、図２０(ｃ)に示すように、上記のように形成した光導波路２９の端面を所定の角度にエッチング加工して、ＭＳＭフォトダイオードが形成される位置から波長の１/２以下の距離だけ離れた位置において、ＭＳＭフォトダイオードに数μｍ程度のスポット径で光照射される光導波路構造を形成した。その後、反応性エッチングにより光導波路層の横にあるＳＯＩ基板におけるＳｉ層表面を加工してＭＳＭフォトダイオードを作製し、ＳｉＯＮ光導波路からの光との結合を実現した。【００８７】
図２１は８５０ｎｍ波長のレーザ光を１ｍＷのパワーで入射した時のフォトカレントのバイアス電圧依存性を示したものである。ＭＳＭフォトダイオードとの光結合効率を改善するため、ＳｉＯＮ光導波路とＭＳＭフォトダイオードの間にＳｉＯ２層を形成することにより、量子効率に換算して５０％程度の値が得られた。
【実施例８】
【００８８】
図２２は、リング型のチャネル型光導波路を用いたフォトダイオードの概念図である。Ｓｉコアを用いたチャネル型光導波路は、リング型の光共振器構造３０を備えている。光共振器構造３０は、ＳｉＧｅ層からなる光吸収層を用いたＭＳＭフォトダイオードに対して、λ/２以下の距離で配置されている。このような光共振器構造を用いることにより、光の群速度を１/６以下にすることが可能となり、１３３０ｎｍ波長のレーザ光に対して７０％以上の量子効率が得られた。
【実施例９】
【００８９】
図２３は、本発明のＭＳＭ型フォトダイオードを搭載した、４０Ｇｂｐｓ(ギガビット毎秒)伝送用光受信モジュールの概略断面図を示す。フォトダイオード３４は、ＳＯＩ基板上にＧｅ膜をエピタキシャル成長させた基板を用い、その上にＡｕ電極が形成されたＭＳＭフォトダイオードであり、λ/２以下の距離だけ離れて、ＡｇまたはＡｕの金属周期構造を備えた光閉じ込め構造が配置されている。波長１.５５μｍの近赤外光による伝送に用いる場合、金属周期構造の凹凸周期は約１.２μｍであり、８周期分の同心円状凹凸構造を用いた場合、その外周の直径は、約２０μｍとなる。凹凸の深さは０.１−０.４μｍ程度とした。また、孔の直径は０.３−０.７μｍ程度である。フォトダイオード３４は、チップキャリア３８上に搭載され、光ファイバー３２およびレンズにより光結合されている。フォトダイオード３４はまた、電気配線３６を介してプリアンプＩＣ３７に電気的に接続されている。【００９０】
通常、４０Ｇｂｐｓ光受信モジュールでは、内部に搭載されるフォトダイオードには側面入射導波路型が多く用いられている。これは、半導体面に光を入射する面入射型では電荷キャリア走行時間を減らすために吸収層を薄くすると高い量子効率が得られないためである。一方、導波路型は吸収層の面内方向で光を吸収することにより、電荷キャリア走行時間が短いままで高い量子効率が得られる。しかし、４０Ｇｂｐｓ用導波路型素子においては、吸収層厚は通常１μｍ以下であり、この場合の光ファイバとの位置に関する結合トレランスは±１μｍ程度にする必要があることから、実装設計および製造コストの両面で大きな問題となっていた。【００９１】
これに対し、本発明によるフォトダイオードは、有効実効直径２０μｍを有しており、このために結合トレランスを±２μｍ以上にとることが可能となる。その結果、簡易なレンズ結合のみで光結合を行うことができ、これにより光伝送用受信モジュールの低コスト化が可能になる。図２３に示した本発明による４０Ｇｂｐｓ光受信モジュールでは、波長１.５５μｍ伝送において最小受信感度−１２ｄＢｍが得られ、通常の導波型フォトダイオードを搭載した４０Ｇｂｐｓ受信モジュールと特性的にも遜色の無いレベルが実現できることが確認された。
【実施例１０】
【００９２】
図２４は、本発明のフォトダイオードを搭載したＬＳＩチップ間光インタコネクションモジュールの概略断面図である。光信号入力ファイバー４６からの光信号は凹面鏡４８により本発明によるフォトダイオード３４に照射される。８５０ｎｍの波長の光を用いる場合、フォトダイオード３４の半導体材料はＳｉであり、この時の金属周期構造の凹凸周期は６００−７００ｎｍである。Ｓｉ製のフォトダイオードは金属周期構造体が作り出す近接場光をさらにＭＳＭ接合と光結合させることにより、光電流を発生することで、フォトダイオード配線層４４を通してＬＳＩ４２に光信号に対応した電流を流す。また、表面プラズモン共鳴を引き起こす金属周期構造を配置することにより、凹面鏡４８とフォトダイオード３４の位置に関する結合トレランスは、±１μｍ以上にとることが可能である。【００９３】
フォトダイオード配線層４４はＬＳＩ４２のフォトダイオード配線用ビア４１に電気的に接続されている。ここで、光信号の入力には光ファイバーの代わりに平面光導波路など良く知られた他の方法を用いることができる。また、凹面鏡４８のか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、フォトダイオード３４の直後のフォトダイオード配線層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。【００９４】
ＬＳＩ４２からの電気信号は光源および変調用電気信号ビア４０から光源および変調用電気配線層４３を通って電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ(面発光レーザ)光源３９により光信号に変換される。光信号は凹面鏡４８で反射されて光信号出力ファイバー４５に送られる。電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源３９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より置き換えることができる。【００９５】
ここで、通常のＬＳＩチップ間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、内部に搭載されるフォトダイオードは応答高速化のため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。化合物半導体はＳｉ半導体素子の製造プロセスとの整合性が悪く、コストが高くなるという欠点があった。これに対し、本発明によるフォトダイオードは、Ｓｉを用いるため製造コストを引き下げることができる。また、実際図に示した本発明による光インターコネクトでは、約４０ＧＨｚの高速光電気変換動作が確認された。
【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】
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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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【国際調査報告】
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