(57)【要約】  【課題】応答速度の高速化を図れ且つ製造が容易な近赤外光検出素子を提供する。  【解決手段】半導体基板１の一表面側に形成されｐ形領域６１とｎ形領域６３との間にドリフト領域であるｉ層６２が介在するｐｉｎフォトダイオードのフォトダイオード構造を有し近赤外光を吸収して電子・正孔対が発生する光電変換部６と、光電変換部６の受光面に積層され当該受光面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶であって上記受光面に交差する方向から入射される検出対象の近赤外光の波長帯に対して共振ピークを有するように屈折率周期構造が設計されたスラブ型フォトニック結晶７とを備えている。【選択図】      図１
2007013065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一表面側に形成されｐ形領域とｎ形領域との間にドリフト領域が設けられたフォトダイオード構造を有し近赤外光を吸収して電子・正孔対が発生する光電変換部と、光電変換部の受光面に積層され若しくは光電変換部内における前記受光面側に形成され前記受光面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶であって前記受光面に交差する方向から入射される検出対象の近赤外光の波長帯に対して共振ピークを有するように屈折率周期構造が設計されたスラブ型フォトニック結晶とを備えてなることを特徴とする近赤外光検出素子。
【請求項２】
前記半導体基板の前記一表面側において前記受光面に平行な２次元面内で前記光電変換部を囲み前記波長帯の近赤外光を前記光電変換部側へ反射する近赤外光反射部を備えてなることを特徴とする請求項１記載の近赤外光検出素子。
【請求項３】
前記近赤外光反射部は、前記受光面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶であって前記波長帯の近赤外光を前記光電変換部側へ反射するように屈折率周期構造が設計された２次元フォトニック結晶からなることを特徴とする請求項２記載の近赤外光検出素子。
【請求項４】
前記光電変換部は、前記受光面に平行な２次元面内における前記ｐ形領域および前記ｎ形領域それぞれの形状が櫛形状であり、前記ｐ形領域と前記ｎ形領域とが互いに入り組んでおり、前記ドリフト領域が前記ｐ形領域と前記ｎ形領域との間に介在するｉ層からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の近赤外光検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外光を検出する近赤外光検出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光通信では、光信号を受信するための受光素子として近赤外光検出素子が用いられている。この種の近赤外光検出素子としては、半導体結晶にｐｎ接合やショットキ接合を形成したフォトダイオード（ｐｎフォトダイオード、ｐｉｎフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ショットキフォトダイオードなど）が広く用いられ、バンドギャップ以上の光子エネルギを有する光が入射された時に発生する電子−正孔対が分離されて空乏層内を走行（ドリフト）し外部回路に流れる電流が変化することを利用して、光信号を電流変化あるいは電圧変化として検出する。ここにおいて、近赤外光検出素子に用いられる半導体結晶材料としては、ＳｉやＧｅの他に、化合物半導体結晶材料（ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなど）があるが、光通信で用いられる光の波長帯、要求されている通信速度、価格などにより使い分けられている。
【０００３】
ところで、光通信は、都市間、都市内の通信網として既に広く使われているが、近年では、例えば高性能サーバとルータとをつなぐＳＡＮ（Storage Area Network）、いわゆる情報家電と周辺機器とをつなぐＤＶＩ（Digital Visual Interface）、車載ＬＡＮ（Local Area Network）、携帯電話機などの分野においても光通信を採用する動きが活発化している。このような分野でも高速の光通信が必要とされており、応用分野によって通信速度の高速化の進展は異なるが、いずれの分野においても１Gbps以上の通信速度を要求されることが予測されている。
【０００４】
上述のような各種分野で用いられる光通信用のフォトダイオードには今後、応答速度の高速化や低価格化が要求される。ここにおいて、フォトダイオードの応答速度は基本的にはフォトダイオードのＣＲ時定数と、空乏層内をドリフトするキャリア（電子、正孔）の走行時間ｔとの２つの要素で制限されることが知られている。半導体結晶材料としてＳｉを用いたｐｉｎフォトダイオードを例に考えると、ＣＲ時定数を小さくするとともに量子効率（受光感度）を高めるために、広い空乏層が形成されているので、空乏層内をドリフトする電子の走行時間ｔが高速応答時には無視できなくなる。
【０００５】
例えば、Ｓｉのｐｉｎフォトダイオードで量子効率を８０％以上とするためには、３０μｍ程度の空乏層幅Ｗが必要となるが、ＣＲ時定数で決まる遮断周波数ｆc(CR)は、受光径を２５０μｍとすると、ｐｎ接合面積ＡがＡ＝４．９×１０−４ｃｍ２となり、空乏層幅Ｗが３０μｍとすればｐｎ接合の接合容量ＣjがＣj＝０．１７ｐＦとなるから、外部抵抗Ｒを５０Ωとすると、ｆc(CR)＝１／（２πＣjＲ）＝１８ＧＨｚとなる。
【０００６】
一方、光電流の振幅が低周波領域の振幅の１／２1/2、すなわち、電力が１／２（−３ｄＢ）になる周波数を遮断周波数ｆ(ｔtr)と定義すると、ｆc(ｔtr)＝０．４４／ｔtrとなるが、Ｓｉ結晶中をドリフトする電子の飽和ドリフト速度νdsがνds＝１×１０７ｃｍ／ｓｅｃであるため、空乏層内をドリフトする電子の走行時間ｔtrがｔtr＝Ｗ／νds＝０．３ｎｓｅｃとなり、遮断周波数ｆc(ｔtr)は、ｆc(ｔtr)＝１．５ＧＨｚとなる。上述のように、受光径が２５０μｍ、空乏層幅Ｗが３０μｍのＳｉのｐｉｎフォトダイオードについては、ＣＲ時定数から決まる遮断周波数ｆc(CR)が１８ＧＨｚであったから、このｐｉｎフォトダイオードでは上述の走行時間ｔtrが遮断周波数を制限することとなり、１．５ＧＨｚ近辺が動作周波数の限界であることが分かる。
【０００７】
ここで、ｐｉｎフォトダイオードの応答速度の高速化を図るには、遮断周波数を大きくする必要があるので、半導体結晶中のドリフト速度がＳｉに比べて速い半導体結晶材料である化合物半導体材料やＧｅなどを用いればよいが、シリコン半導体プロセスほどは量産性に優れておらず、また、ウェハ径も小さいので、低価格化が難しい。
【０００８】
これに対して、近年、Ｓｉのｐｉｎフォトダイオード構造を有する光電変換部を基本構成とし、光電変換部においてキャリアがドリフトするドリフト領域であるｉ層の薄型化を図りながらも量子効率を向上することができ、しかもｉ層中をドリフトするキャリアの走行時間ｔtrの短縮による高速化を図れる近赤外光検出素子が提案されている（非特許文献１，２）。
【０００９】
この種の近赤外光検出素子は、図４に示すように、Ｓｉ基板１５１の一表面上に第１のＳｉＯ２層１５２ａとＳｉ層１５２ｂと第２のＳｉＯ２層１５２ｃとの積層膜からなり近赤外光を反射するＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）１５２が設けられ、ＤＢＲ１５２上にｎ＋領域１６３とｐ＋領域１６１との間にｉ層１６２が介在するＳｉのｐｉｎフォトダイオード構造からなる光電変換部１６０が設けらており、空気とｐ＋領域１６１の表面からなる受光面との界面がＳｉ基板１５１の厚み方向（縦方向）において光電変換部１６０を挟んでＤＢＲ１５２に対向する反射面を形成し、当該反射面とＤＢＲ１５２とでファブリペロー共振器（Fabry-Perot Resonator）からなる縦型の共振器を形成している。したがって、光電変換部１６０におけるｉ層１６２の厚みを小さく（つまり、ｉ層１６２の幅を小さく）しても受光感度を向上することができ、ｉ層１６２の厚みを薄くすることでキャリアの走行距離も短くできるので、応答速度の高速化を図ることができる。なお、ｐ＋領域１６１はＳｉ基板１５１の上記一表面側でｐ電極１６５と電気的に接続され、ｎ＋領域１６３はＳｉ基板１５１の上記一表面側でｎ電極１６３と電気的に接続されている。
【非特許文献１】M.K.Emsley,et al,「Silicon Resonant Cavity Enhanced Photodetector Arrays for Optical Interconnects」，Proc. of SPIE Vol.5246,p409-421,2003
【非特許文献２】M.K.Emsley,et al,「Silicon Substrates With Buried Distributed Bragg Reflectors for Resonant Cavity-Enhanced Optoelectronics」，IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,VOL.8,NO.4,p948-955,JULY/AUGUST 2002
【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、図４に示した構成の近赤外光検出素子を製造するには、光電変換部１６０の形成前に、ＳＯＩウェハの形成方法の１つとして知られている水素注入剥離法で必要な基本工程（水素イオン注入工程、貼り合わせ工程、剥離工程、表面研磨工程）を２回繰り返す必要があり、製造プロセスが複雑で低コスト化が難しかった。また、上述の赤外光検出素子の製造方法はＳｉ以外の半導体結晶材料を光電変換部１６０の材料として採用する場合には適用することができない。
【００１１】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、応答速度の高速化を図れ且つ製造が容易な近赤外光検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、半導体基板の一表面側に形成されｐ形領域とｎ形領域との間にドリフト領域が設けられたフォトダイオード構造を有し近赤外光を吸収して電子・正孔対が発生する光電変換部と、光電変換部の受光面に積層され若しくは光電変換部内における前記受光面側に形成され前記受光面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶であって前記受光面に交差する方向から入射される検出対象の近赤外光の波長帯に対して共振ピークを有するように屈折率周期構造が設計されたスラブ型フォトニック結晶とを備えてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、半導体基板の一表面側に形成された光電変換部の受光面に積層され若しくは光電変換部内における前記受光面側に形成され前記受光面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶であって前記受光面に交差する方向から入射される検出対象の近赤外光の波長帯に対して共振ピークを有するように屈折率周期構造が設計されたスラブ型フォトニック結晶を備えていることにより、従来のような縦型の共振器を設けることなくｐｉｎフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードなどのフォトダイオード構造の光電変換部のドリフト領域の厚さを薄くしても量子効率を高めることができるので、受光感度を低下させることなく応答速度の高速化を図れ、また、光電変換部に積層され若しくは光電変換部内における前記受光面側に形成されたスラブ型フォトニック結晶は一般的な半導体製造プロセス技術である薄膜形成技術とリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して形成することができるので、容易に製造することができる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記半導体基板の前記一表面側において前記受光面に平行な２次元面内で前記光電変換部を囲み前記波長帯の近赤外光を前記光電変換部側へ反射する近赤外光反射部を備えてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記受光面に平行な２次元面内で前記光電変換部を囲み前記波長帯の近赤外光を前記光電変換部側へ反射する近赤外光反射部を備えていることにより、前記受光面を通して前記光電変換部へ入射された前記波長帯の近赤外光が前記光電変換部の側方へ漏れるのを防止することができるので、量子効率をより高めることができ、受光感度をより一層高めることができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記近赤外光反射部は、前記受光面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶であって前記波長帯の近赤外光を前記光電変換部側へ反射するように屈折率周期構造が設計された２次元フォトニック結晶からなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、前記近赤外光反射部を一般的な半導体製造プロセス技術であるリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して容易に形成することができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記光電変換部は、前記受光面に平行な２次元面内における前記ｐ形領域および前記ｎ形領域それぞれの形状が櫛形状であり、前記ｐ形領域と前記ｎ形領域とが互いに入り組んでおり、前記ドリフト領域が前記ｐ形領域と前記ｎ形領域との間に介在するｉ層からなることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、前記ｐ形領域を拡散もしくはイオン注入により形成する際のマスクと前記ｎ形領域を拡散もしくはイオン注入により形成する際のマスクとの相対的な位置精度により前記ｐ形領域と前記ｎ形領域との間に介在するｉ層からなる前記ドリフト領域の厚み（ｉ層の幅）が決まるので、前記ドリフト領域の厚み寸法の精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明は、応答速度の高速化を図れ且つ容易に製造することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（実施形態１）
本実施形態の近赤外線検出素子は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板からなる半導体基板１の一表面上にＳｉＯ２膜からなる第１の誘電体層２を介して低濃度（例えば、１０13〜１０16cm-3程度）の単結晶Ｓｉ層からなる半導体層３が設けられるとともに、当該半導体層３上にＳｉＯ２膜からなる第２の誘電体層４が設けられており、半導体層３の中央部にｐｉｎフォトダイオードのフォトダイオード構造を有し近赤外光を吸収して電子・正孔対が発生する光電変換部６が形成され、第２の誘電体層４の中央部に光電変換部６の受光面（図１（ｂ）における上面）に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶であって上記受光面に交差する方向から入射（本実施形態では、半導体基板１側とは反対側から入射）される検出対象の近赤外光の波長帯に対して共振ピークを有するように屈折率周期構造が設計されたスラブ型フォトニック結晶７が形成されている。なお、本実施形態では、第１の誘電体層２および第２の誘電体層４の材料がＳｉＯ２であり、光電変換部６の半導体結晶材料がＳｉであるので、第１の誘電体層２および第２の誘電体層４それぞれの屈折率よりも半導体層３の屈折率が高い値となっており（ＳｉＯ２の屈折率は１．５程度、Ｓｉの屈折率は３．４程度である）、光電変換部６には、受光面から入射された近赤外光を光電変換部６の両側の媒質との屈折率差により光電変換部６内に閉じ込めて導波する導波モードが存在しており、量子効率を高めることができる。
【００２２】
ここにおいて、本実施形態の近赤外光検出素子は、光通信の受光素子として用いるものであり、検出対象の近赤外光（入力信号光）の波長帯として０．８μｍ帯を想定しており、光電変換部６の半導体結晶材料としてＳｉを採用し、半導体基板１としてＳｉ基板を用いている。
【００２３】
光電変換部６は、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、上記受光面に平行な２次元面内における形状が櫛形状のｐ＋層からなるｐ形領域６１と、上記受光面に平行な２次元面内における形状が櫛形状のｎ＋層からなるｎ形領域６３とが、互いに入り組んでおり、ｐ形領域６１とｎ形領域６３との間に上記受光面に平行な面内における形状が蛇行状（つづら折れ状）のｉ層６２が介在している。ここにおいて、ｐ形領域６１およびｎ形領域６３は円弧状の櫛骨部６１ａ，６３ａそれぞれに、図１（ｃ）の左右方向に等間隔で離間した複数（図示例では、３つ）の櫛歯部６１ｂ，６３ｂが連続して形成されており、図１（ｃ）の左右方向においてｐ形領域６１の櫛歯部６１ｂとｎ形領域６３の櫛歯部６３ｂとが交互に並んでいる。なお、光電変換部６は、上記受光面に平行な２次元面内における形状が、全体として円形状に形成されている。また、本実施形態では、ｉ層６２がｐ形領域６１とｎ形領域６３との間に設けられたドリフト領域を構成している。
【００２４】
また、本実施形態の近赤外光検出素子は、第２の誘電体層４においてｐ形領域６１に重なる部位にコンタクト孔が形成されており、当該コンタクト孔に埋め込まれｐ形領域６１と電気的に接続された金属材料からなるコンタクト電極８ａが、第２の誘電体層４上に形成されたパッド１０ａと金属配線９ａを介して電気的に接続されている。同様に、第２の誘電体層４においてｎ形領域６３に重なる部位にコンタクト孔が形成されており、当該コンタクト孔に埋め込まれｎ形領域６３と電気的に接続された金属材料からなるコンタクト電極８ｂが、第２の誘電体層４上に形成されたパッド１０ｂと金属配線９ｂを介して電気的に接続されている。
【００２５】
また、スラブ型フォトニック結晶７は、多数の円孔７２が、第２の誘電体層４のうち光電変換部６に積層されている部位からなるスラブ７１の厚み方向に直交する面内（つまり、光電変換部６の受光面に平行な２次元面内）で２次元的な周期構造を有するように配列されており、スラブ７１を構成する高屈折率媒質と円孔７２内の空気からなる低屈折率媒質とで上記屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶７を構成している。具体的には、スラブ７１において、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に円孔７２を形成することにより、スラブ型フォトニック結晶７を形成してある。言い換えれば、円孔７２はスラブ７１の厚み方向に直交する面内において三角格子状に配列されている。なお、第２の誘電体層４の材料であるＳｉＯ２の屈折率は１．５程度、空気の屈折率は１である。
【００２６】
スラブ型フォトニック結晶７の設計にあたっては、上述のように検出対象の近赤外光の波長帯に共振ピークを有するように上記屈折率周期構造が設計されている。具体的には、例えば、スラブ型フォトニック結晶７における円孔７２の配列方向の周期（スラブ型フォトニック結晶７の屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）をａとすれば、周期ａは上記波長帯の赤外光の半波長程度（例えば、赤外光の波長の２分の１）に設定すればよい。なお、本実施形態の近赤外光検出素子のうちスラブ型フォトニック結晶７と光電変換部６とで構成された主要部である光伝搬部については、半導体基板１と反対側はスラブ型フォトニック結晶７とスラブ型フォトニック結晶７直上の媒質である空気（屈折率＝１）との屈折率差があり、半導体基板１側は光電変換部６直下の媒質である第１の誘電体層（屈折率＝１．５）２と屈折率差がある。このような光伝搬部では、当該光伝搬部が上下両側（半導体基板１の厚み方向の両側）それぞれで接している媒質と上述のような屈折率差があることにより、光伝搬部を伝搬する近赤外光が上下方向の全反射条件を満たして完全に光伝搬部内に閉じ込められる導波モードと、全反射条件を満たさず外部光と結合可能なモード（以下、面内共振モードと呼ぶ）とがある。このような光伝搬部に外部から近赤外光を入射すると、一部の近赤外光が面内共振モードに結合し、別の一部は面内共振モードおよび導波モードのいずれにも結合せず透過する場合もあるが、面内共振モードに結合した後に再放射される近赤外光と透過する近赤外光とが打ち消されるような場合も存在し、この場合には光伝搬部に入射された全ての近赤外光が面内共振モードに結合する。このように面内共振モードに結合した光は、共振ピークのＱ値に応じて光伝搬部内を伝搬していくことになるので、図４の従来構成のような縦型の共振器を設けることなく光電変換部６におけるｉ層６２の厚みを薄くてもｉ層６２にて近赤外光が効率良く吸収されることになる。また、本実施形態では、光伝搬部に入射される上記波長帯の近赤外光の全てが面内共振モードに結合するので、光電変換部６における受光面とは反対側にＤＢＲのような反射層を別途設ける必要もない。なお、面内共振モードは、刊行物１（Shanhui Fan,et al，「Analysis of guided resonances in photonic crystal slabs」，PHYSICAL REVIEW B,VOLUME 65,235112）において「guided resonances」として報告されている。
【００２７】
ところで、本実施形態の近赤外光検出素子は、厚み方向の中間にＳｉＯ２膜を有する所謂ＳＯＩ（Silicon  On  Insulator）基板を用いて形成してあり、ＳＯＩ基板における裏面側のＳｉ基板が半導体基板１を構成し、ＳＯＩ基板のＳｉＯ２膜が第１の誘電体層２を構成し、ＳＯＩ基板の主表面側のＳｉ層が半導体層３を構成している。すなわち、近赤外光検出素子における光電変換部６は、ＳＯＩ基板の主表面側のＳｉ層からなる半導体層３においてｐ形領域６１およびｎ形領域６３それぞれに対応する部位に不純物を拡散もしくはイオン注入によって導入することにより形成されているので、ｐ形領域６１を拡散もしくはイオン注入により形成する際のマスクとｎ形領域６３を拡散もしくはイオン注入により形成する際のマスクとの相対的な位置精度により、半導体層３のうちｐ形領域６１とｎ形領域６３との間に介在する部位からなるｉ層６２の厚さ（ｉ層６２の幅であって、キャリアの走行距離）が決まるので、ｉ層６２の厚み寸法の精度を高めることができる。
【００２８】
また、スラブ型フォトニック結晶７は、ＳＯＩ基板の主表面側のＳｉ層からなる半導体層３に光電変換部６を形成した後で、ＳＯＩ基板の主表面側の全面に第２の誘電体層４を例えばＣＶＤ法などの薄膜形成方法により成膜してから、第２の誘電体層４上にリソグラフィ技術を利用して各円孔７２に対応する部位が開孔されたレジスト層を形成し、当該レジスト層をマスクとして第２の誘電体層４のうち各円孔７２に対応する部位をドライエッチング装置によりエッチングすることによって形成することができる。なお、スラブ７１を構成する媒質はＳｉＯ２に限らず、例えば、Ｓｉ３Ｎ４でもよい。
【００２９】
以上説明した本実施形態の近赤外光検出素子は、光電変換部６の受光面に積層され光電変換部６側とは反対側から入射される検出対象の近赤外光の波長帯に対して共振ピークを有するように上記受光面に平行な２次元面内の屈折率周期構造が設計されたスラブ型フォトニック結晶７を備えているので、図４に示した従来構成のような縦型の共振器を設けることなくｐｉｎフォトダイオードのフォトダイオード構造の光電変換部６のｉ層６２の厚み（幅）を薄くしても量子効率を高めることができるので、受光感度を低下させることなく応答速度の高速化を図れる。また、光電変換部６に積層されたスラブ型フォトニック結晶７は一般的な半導体製造プロセス技術である薄膜形成技術とリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して形成することができるので、容易に製造することができる。
【００３０】
（実施形態２）
本実施形態の近赤外光検出素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図２に示すように、光電変換部６におけるｐ形領域６１とｉ層６２とｎ形領域６３とが半導体基板１の厚み方向に並ぶ形で形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
本実施形態における光電変換部６のｐ形領域６１およびｎ形領域６３は、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、上記受光面に平行な２次元面内における形状が円の一部を切り欠いた形状に形成されており、半導体層３のうちｐ形領域６１とｎ形領域６３との間に介在する部位がｉ層６２を構成している。なお、ｐ形領域６１およびｎ形領域６３は、半導体層３においてｐ形領域６１およびｎ形領域６３それぞれに対応する部位に不純物を拡散もしくはイオン注入によって導入することにより形成されている。
【００３２】
また、本実施形態の近赤外光検出素子は、ｐ形領域６１とｎ形領域６３とが半導体基板１の厚み方向に離間して形成されており、ｎ形領域６３が第２の誘電体層４から離れた位置に形成されているので、ｎ形領域６３とコンタクト電極８ｂとを電気的に接続するための拡散配線６３ｃ（図２（ｃ）参照）を半導体層３に形成してある。なお、各コンタクト電極８ａ，８ｂは、第２の誘電体層４において、ｐ形領域６１およびｎ形領域６３それぞれの周部に重なる部位に形成されている。
【００３３】
しかして、本実施形態の近赤外光検出素子も、実施形態１と同様に、受光感度を低下させることなく応答速度の高速化を図れ且つ容易に製造することができる。
【００３４】
（実施形態３）
本実施形態の近赤外光検出素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、半導体基板１の上記一表面側において光電変換部６の受光面に平行な２次元面内で光電変換部６を囲み検出対象の波長帯の近赤外光を光電変換部６側へ反射する近赤外光反射部１１を備えている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
ところで、本実施形態における近赤外光反射部１１は、近赤外光反射部１１が上記受光面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶であり、多数の円孔１１ａが半導体層３の一部からなるスラブ１１ｂの厚み方向に直交する２次元面内で２次元的な周期構造を有するように配列されており、スラブ１１ｂを構成する高屈折率媒質（ここでは、Ｓｉ）と円孔１１ａ内の空気からなる低屈折率媒質とで上記屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶を構成している。具体的には、スラブ１１ｂに、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に円孔１１ａを形成することにより、２次元フォトニック結晶１１を形成してある。言い換えれば、円孔１１ａはスラブ１１ｂの厚み方向に直交する面内において三角格子状に配列されている。
【００３６】
ここにおいて、２次元フォトニック結晶１１の設計にあたっては、上述のように検出対象の波長帯の近赤外光を光電変換部６側へ反射するように上記屈折率周期構造が設計されている。具体的には、例えば、２次元フォトニック結晶１１における円孔１１ａの配列方向の周期（２次元フォトニック結晶１１の屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）をｂとすれば、周期ｂは上記波長帯の赤外光の半波長程度（例えば、赤外光の波長の２分の１）に設定すればよい。
【００３７】
しかして、本実施形態の近赤外光検出素子では、上述の近赤外光反射部１１を備えていることにより、上記受光面を通して光電変換部６へ入射された上記波長帯の近赤外光が光電変換部６の側方へ漏れるのを防止することができるので、量子効率をより高めることができ、受光感度をより一層高めることができる。また、近赤外光反射部１１が上記受光面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有する２次元フォトニック結晶であって上記波長帯の近赤外光を光電変換部６側へ反射するように屈折率周期構造が設計された２次元フォトニック結晶により構成されているので、近赤外光反射部１１を一般的な半導体製造プロセス技術であるリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して容易に形成することができる。なお、本実施形態では、２次元フォトニック結晶１１をＳｉと空気との２種類の媒質の周期構造により構成しているが、円孔１１ａをＳｉとは屈折率の異なる誘電体材料（例えば、ＳｉＯ２など）により充実して当該誘電体材料とＳｉとで２次元フォトニック結晶１１を形成するようにしてもよい
ところで、上記各実施形態では、光電変換部６の半導体結晶材料としてＳｉを採用し、半導体基板１としてＳｉ基板を用いているが、光電変換部６の半導体結晶材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅや化合物半導体結晶材料でもよく、半導体基板１もＳｉ基板に限らず、例えば、Ｇｅ基板やＧａＡｓ基板などでもよい。また、上記各実施形態では、スラブ型フォトニック結晶７をＳｉＯ２と空気との２種類の媒質の周期構造により構成していたが、円孔７２内をＳｉＯ２とは屈折率の異なる誘電体材料により充実して当該誘電体材料とＳｉＯ２とでスラブ型フォトニック結晶７を形成するようにしてもよいし、あるいは３種類以上の媒質の周期構造としてもよく、例えば、ＳｉＯ２からなるスラブ７１に設けた円孔７２の内周面を被覆するＳｉ３Ｎ４膜を形成することによってＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４と空気との３種類でスラブ型フォトニック結晶７を構成するようにしてもよい。
【００３８】
また、上記各実施形態では、スラブ型フォトニック結晶７を光電変換部６の受光面に積層してあるが、スラブ型フォトニック結晶７を光電変換部６に積層する代わりに、光電変換部６内における受光面側に形成するようにしてもよい。また、上記各実施形態では、光電変換部６がｐ形領域６１とｎ形領域６３との間にドリフト領域６２としてｉ層が設けられたｐｉｎフォトダイオードのフォトダイオード構造を有しているが、光電変換部６はｐ形領域６１とｎ形領域６３との間にドリフト領域が設けられていればアバランシェフォトダイオードのフォトダイオード構造でもよい。
【００３９】
また、上記各実施形態におけるスラブ型フォトニック結晶７は、スラブ７１に対して、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に円孔７２を形成することにより形成されているが、単位格子は正三角形に限らず、例えば正方形でもよく、この場合には単位格子が正方形の仮想的な２次元正方格子の各格子点に対応する部位に円孔７２を形成すればよい。また、上記各実施形態では、スラブ型フォトニック結晶７の屈折率周期構造を形成するためにスラブ７１に多数の円孔７２を形成してあるが、円孔７２を設ける代わりに、例えば三角形状の孔や四角形状の孔など別の開口形状の孔を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’で破断した概略斜視図、（ｃ）は水平断面図である。
【図２】実施形態２を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’で破断した概略斜視図、（ｃ）は水平断面図、（ｄ）は他の水平断面図である。
【図３】実施形態３を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’で破断した概略斜視図、（ｃ）は水平断面図である。
【図４】従来例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  半導体基板
２  第１の誘電体層
３  半導体層
４  第２の誘電体層
６  光電変換部
７  スラブ型フォトニック結晶
８ａ，８ｂ  コンタクト電極
９ａ，９ｂ  金属配線
１０ａ，１０ｂ  パッド
６１  ｐ形領域
６２  ｉ層
６３  ｎ形領域
７１  スラブ
７２  円孔
【図１】
2007013065.tif 000003
【図２】
2007013065.tif 000004
【図３】
2007013065.tif 000005
【図４】
2007013065.tif 000006