光电二极管及其制造方法

专利名称：光电二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于将包括不可见光(诸如红外光)的光信号以高速转换成电信号的光电二极管，以及其制造方法。
背景技术：
光电二极管常常用作将光学信号高速转换成电信号的器件。光电二极管在信息处理和通讯领域是必不可少的。
已经知道了各种类型的光电二极管，但高速运作的光电二极管的代表示例是pin型光电二极管。如

图1所示，pin型光电二极管由诸如硅的半导体构成，并具有以下构造，其中i层(本征半导体层)51插在p层(p型半导体层)52和n层(n型半导体层)53之间。P层52在i层51的部分表面上形成薄层，并配置有中心形成了窗口59的第一电极(阳极电极)54以便密封p层52的外围并接触p层52。在n层53没有i层51的那侧表面上配置第二电极(阴极电极)55。P层52在窗口59的底表面上露出，且在p层52的露出表面上配置抗反射膜58。
负载电阻50和该pin型光电二极管串联连接到偏置电源56，且当反向偏压通过偏置电源56施加到光电二极管而使第一电极54侧为负且第二电极55侧为正时，大体上高电阻的i层51的整个区域变成电荷载流子的耗尽层。当入射光57在这种状态下通过窗口59辐照光电二极管的内部时，入射光57的光子主要被i层51吸收而产生电子-空穴对。产生的电子和空穴在反向偏压的影响下各自以相反的方向在耗尽层内漂移而产生电流，并在作为负载电阻50两端之间的信号电压而被探测到。
限制这种pin型光电二极管光电转化的响应速度的主要因素是由负载电阻50与由耗尽层所产生的电容值的乘积所确定的电路时间常数，以及电子与空穴穿过耗尽层所需的载流子迁移时间。因此，为了提高响应时间，应当减小电路时间常数或者应当缩短载流子迁移时间。
肖特基光电二极管有时用于通过缩短载流子迁移时间来提高响应速度。如图2所示，肖特基光电二极管由诸如硅的半导体构成，n-型半导体层61形成在n+型半导体层60上，并且，半透明金属膜66配置在n-型半导体层61的部分表面上以便接触n-型半导体层61。半透明金属膜66是金属薄膜，其薄得足以透射入射光67。配置了在其中心形成了窗口69的第一电极62，以便围绕半透明金属膜66的外围并接触半透明金属膜66。在n+型半导体层60上没有n-型半导体层61的那侧表面上配置第二电极63。在窗口69的底部露出半透明金属膜66，且抗反射膜68被配置在半透明金属膜66的露出表面上。如图1所示的pin型光电二极管的情形，反向偏压通过偏置电源64和负载电阻65被施加到第一电极62和第二电极63。
在这种肖特基光电二极管中，肖特基势垒产生在n-型半导体层61接触半透明金属膜66的界面附近。在该肖特基势垒附近，电子从半透明金属膜66向n-型半导体层61扩散而产生耗尽层。当在这种情况下照射入射光67时，电子产生在n-型半导体层61中，并且这些电子在反向偏压的影响下在耗尽层内漂移。电子在耗尽层内的漂移产生了电流，并被检测作为负载电阻65两端之间的信号电压。
在图1所示的pin型光电二极管中，用于光子吸收的i层51(即耗尽层)必须配置有足够厚度，与图1的pin型光电二极管相反，可以使肖特基光电二极管中的耗尽层很薄，结果可以缩短载流子的迁移时间。此外，器件表面层中的光吸收可以有效地用在肖特基光电二极管中。
另一方面，当减小电路时间常数来提高光电转换的响应速度时，应当减小负载电阻或者应当减小耗尽层的电容值。然而，当减小负载电阻来缩短电路时间常数时，可被提取出的再生信号的电压电平下降了，器件变得更加容易受到热噪声和其他噪声的影响，并且SN比(信噪比)劣化。因此，减小耗尽层的电容值导致需要提高再生信号的SN比以减少读取错误。特别地，当减薄耗尽层来缩短载流子迁移时间时，电容值增大，结果，必须减小耗尽层或肖特基结的面积以获得更高的速度。然而，减小结面积降低了信号光的利用率，并因此引起再生信号SN比劣化的问题。虽然可以使用透镜会聚并提高光信号的利用率，但配置透镜不仅增大了光电转换器件自身的尺寸，而且必然需要进行对准透镜和光电二极管以及对透镜和光纤进行定位的困难操作。
考虑到这些问题，近几年已经随着技术改进而进行了各种尝试，以使这种类型的光电转换器件通过使用金属表面等离子体激元能够具有比现有技术更高的速度和更紧凑的尺寸。
JP-A-59-108376(专利文献1)公开了一种由金属/半导体/金属(MSM)器件构成的光电探测器，其中两个电极设置在半导体的相同表面上。该MSM光电探测器通常是一种在两个电极附近具有肖特基势垒的肖特基光电二极管。由电极透射的部分光被半导体吸收而产生自由电子。这种MSM光电探测器的问题在于为了提高量子效率而增加了半导体的厚度，这导致了电子传播距离的增大并随之导致操作速度下降。为了避免操作速度的下降，JP-A-59-108376公开了一种装置，其中金属电极沿周期性的表面无规则地配置，以实现入射光与金属电子的表面等离子体激元的高效耦合，并在光电探测器内传播光。作为用于制造上述MSM光接收器件的一种方法，JP-A-08-204225(专利文献2)公开了一种在半导体上形成金属膜然后氧化部分金属膜以形成光透射绝缘图案的方法。
探测近场光的光接收器件也已经提出。JP-A-08-204226(专利文献3)公开了一种MSM光接收器件，该MSM光接收器件在半导体的相同表面上具有一对导电的电压施加部件，其中分隔该导电的电压施加部件对的光透射绝缘图案的宽度被设置为等于或小于波长的尺寸，且其中由光透射绝缘图案两侧上的导电电压施加部件的端部产生的近场光用于提高光电探测器的响应速度。导电电压施加部件通常由金属膜构成。在这种结构中，用于产生近场光的开口宽度决定了效率，且电子在耗尽层中的漂移距离决定了响应速度，但是作为肖特基光电二极管，由于光透射绝缘图案的宽度是耗尽层的宽度，因此不能独立地设置开口的宽度和电子的漂移距离，并且因此不能在光接收器件中同时获得高效率和高速度。
JP-A-10-509806(专利文献4)公开了一种光电耦合器，其中利用了表面等离子体激元现象。在这种光电耦合器中，采用了如下器件结构，其中在半导体上以规则间距对准的交叉指型(interdigital)金属电极被设置为使正电极和负电极以一个电极与另一个电极相适配的方式彼此相对。借助于这种器件结构，入射光、透射光、反射光、表面等离子体激元等通过共振相互耦合。在这种利用光电耦合技术的MSM光接收器件中，由入射光产生的自由电子通过入射光与表面等离子体激元的耦合而被增强了，但是当减小入射光照射的面积从而降低耗尽层的电容值时，所探测信号的强度下降且SN比下降。
JP-A-2002-076410(专利文献5)公开了一种用于将阳光的能量转换成电能的光电器件，其中使用了具有球形或半球形并具有pn键的多个微型半导体，每个半导体球插在一对电极之间，并在该对电极之一上配置周期性排列的开口或凹陷。配置在其中一个电极上的周期形状使入射光和表面等离子体激元发生共振，由此整体上提高了光电器件的光电转换效率。然而，这种技术涉及光电器件，即，太阳能电池，其中在光电转换的响应速度方面不需要很高的速度。结果，没有进行减小耗尽层厚度或减小光电转换面积的尺寸来实现提高光电转换速度的研究。
作为利用入射光和表面等离子体激元相互作用的器件，JP-A-2000-171763(专利文献6)公开了一种光透射器件，其中将具有孔和周期性表面变形的金属膜用于大幅增强通过小孔透射的光的强度。该公开声称，即使具有单个孔，在该孔周围配置多行周期性凹槽也能够比没有周期性凹槽行的情况更大地增强通过小孔透射的光。然而，已知在表面等离子体激元共振中，与入射光能量相比，透射光的总能量衰减了。根据纳米技术(Nanotechnology)第13卷第429-432页TinekeThio、H.J.Lezec、T.W.Ebbesen、K.M.Pellerin、G.D.Lewen、A.Nahata和R.A.Linke的“Giant optical transmission of sub-wavelength aperturesphysics and applications”(非专利文献1)，尽管使用了表面等离子体激元共振，但通过具有40％或更小波长的直径的小孔透射的光的总能量衰减到入射光能量的1％或更少。结果，即使当使用JP-A-2000-171763中公开的光透射器件将通过光透射器件的小孔传播的光照射到光接收器件上时，也不能在光电转换中获得高SN比。
JP-A-2001-291265(专利文献7)公开了一种用于光学数据记录介质的读/写头，其通过使用近场光来提高光学数据存储介质的记录密度，该读/写头通过具有等于或小于波长的直径的开口将光照射到光学记录介质上并借助于上述表面等离子体激元共振增强了通过小孔透射的光强度。在JP-A-2004-061880(专利文献8)中，描述了上述JP-A-2001-291265中所公开的读/写头不使用穿过小孔然后传播到远处的透射光，而是使用通过近场光(瞬逝光)在接近小孔处形成的微小光点。在光学数据存储介质的情况中，存储介质中光的吸收系数可以被提升到很高的水平，因此在诸如由近场光产生的光点的微小范围内的所有光子都可以吸收到存储介质中，从而能够形成微小的记录凹坑。然而，人们相信，当将近场光引入到光电二极管中时，制造光电二极管的材料相对较低的光吸收系数阻碍了光照射到深入光电二极管的位置，从而不能检测到足够的光电探测电流。
本说明书中引用的参考文献列表如下专利文献1日本专利申请特开第Sho-59-108376(JP-A-59-108376)号；专利文献2日本专利申请特开第Hei-8-204225(JP-A-08-204225)号；专利文献3日本专利申请特开第Hei-8-204226(JP-A-08-204226)号；专利文献4日本专利申请特开第Hei-10-509806(JP-A-10-509806)号；专利文献5日本专利申请特开第2002-76410(JP-A-2002-076410)号；专利文献6日本专利申请特开第2000-171763(JP-A-2000-171763)号；专利文献7日本专利申请特开第2001-291265(JP-A-2001-291265)号；专利文献8日本专利申请特开第2004-61880(JP-A-2004-061880)号；非专利文献1Tineke Thio、H.J.Lezec、T.W.Ebbesen、K.M.Pellerin、G.D.Lewen、A.Nahata和R.A.Linke的“Giant opticaltransmission of sub-wavelength aperturesphysics and applications”，纳米技术(Nanotechnology)，第13卷，第429-432页。

发明内容
发明所要解决的问题提高光电二极管的响应速度需要减小耗尽层的厚度以缩短载流子迁移时间，以及减小耗尽层的面积以降低电路时间常数。然而，采用这些措施导致入射光的光子转换成电子-空穴对的量子效率(即信号光的利用率)下降，并且必然伴有SN比下降的问题。特别是，将光入射的窗口尺寸设置到等于或小于波长的尺寸以减小耗尽层面积时，所透射光的强度由于衍射极限而大幅度衰减，因此几乎不可能将光电二极管的结面积设置到1μm2或更小。即使当在金属膜上配置小孔，在小孔附近的金属膜中配置周期性结构时，利用表面等离子体激元提高通过小孔透射的光强度，然后将由此增强的光引入到光电二极管中，也观察到SN比的下降并且不能获得足够的光强度。即使当尝试探测在配置于金属膜中的小孔附近形成的近场光时，仍然相信构成光电二极管的半导体材料相对低的光吸收系数也阻止了获得足够的光强度。
在这种光接收器件中，即使在没有信号光时仍流动的暗电流成为待解决的噪声源。暗电流流动是由热等产生的电荷载流子的结果，因此暗电流非常依赖于温度。产生电子-空穴对区域的体积越大，暗电流越大。肖特基光电二极管中不能实现金属与半导体的晶格匹配进一步在耗尽层中产生了晶格缺陷。这种缺陷作为电荷载流子的产生中心并由此增大了暗电流。
本发明的目的在于提供一种在保持信号强度的同时提高光电二极管响应速度的器件结构。
本发明的另一目的在于提供一种光电二极管，与现有技术相比，不仅提供了通过使器件显著小型化而易于集成的结构，而且进一步实现了更高的速度、更低的功耗和更低的噪声。
解决问题的方式根据本发明的第一方面，一种光电二极管包括导电膜，其具有直径小于入射光波长的小孔和配置在小孔周围的周期性结构，用于借助膜表面的入射光通过导电膜的膜表面中受激发的表面等离子体激元来产生共振状态；以及配置在导电膜小孔附近并接触导电膜的半导体层；其中光电二极管对近场光进行探测，所述近场光是通过受激表面在导电膜和半导体层之间的界面处产生的。在该光电二极管中，小孔的直径优选至少为入射光波长的1/10而不大于入射光波长的1/2。优选地，其中由导电膜和半导体层形成的肖特基势垒出现的区域大体上与产生近场光的区域相匹配。优选由在距小孔距离增大的方向上具有周期性的表面凹凸构成周期性结构。
根据本发明的第二模式，光电二极管的特征在于其包括导电膜，其具有第一表面和第二表面，且包括小孔，所述小孔具有小于入射光波长的直径，所述入射光是从第一表面侧形成的；以及周期性结构，其在由距小孔距离增大的方向上具有周期性的表面凹凸构成；配置于导电膜的小孔附近并接触导电膜的第二表面的一种导电类型的第一半导体层；以及该导电类型的第二半导体层，其杂质浓度高于第一半导体层中的杂质浓度，并且其接触第一半导体层的表面，所述表面与接触导电膜第二表面的另一表面相对。
光电二极管还可以包括电连接到第一半导体层的第一电极和电连接到导电膜的第二电极，用于施加反向偏压以在与第二半导体层的导电膜的结附近形成肖特基势垒。此外，插在第一半导体层和导电膜之间的第二半导体层的厚度优选等于或小于近场光逸出(bleed)的长度，在光从第二表面照射到导电膜上时，该近场光出现在小孔位置处的第一表面侧上。更具体地，例如，第二半导体层的厚度大于或等于50nm并小于或等于100nm。
在该光电二极管中，导电膜优选由金属膜构成，且表面凹凸优选形成在第一表面上。例如，周期性结构由以小孔为中心的同心凹槽构成。小孔优选具有至少为入射光波长的1/10但不大于其波长1/2的直径。
在本发明的光电二极管中，可以包括具有以下尺寸的导电部件，在与第二半导体层和导电膜构成的肖特基结分开的距离短于入射光波长的位置处，该尺寸小于入射光的波长。
在本发明的光电二极管中，可以在导电膜的第一表面上配置具有大体上与第二半导体层相同折射率的透明膜，此外，可以配置用于入射光的抗反射膜。
周期性结构的周期优选不大于入射光的波长，或者优选设置为通过入射光在导电膜上受激的表面等离子体激元的共振波长。
例如，周期性结构凹部中的金属膜厚度至少为100nm但不大于1000nm，且例如，周期性结构中表面凹凸的深度至少为20nm但不大于200nm。
在本发明中，形成于导电膜中的小孔的平面形状可以是圆形、卵形、椭圆形、中心部分收缩的哑铃形、或者狭缝。当小孔为卵形时，应当使卵形的短轴小于或等于入射光的波长。当采用狭缝形的小孔时，狭缝的两个相对侧面之间的距离应当小于或等于该波长。
而且，在本发明中，绝缘材料，例如，在所述由导电膜和半导体层形成的肖特基结的界面处，具有约为2nm或更小直径的膜状或簇状氧化物可以在不妨碍光电二极管操作的范围内存在。
本发明的光电二极管的制造方法是这样一种光电二极管的制造方法，该光电二极管包括导电膜，其具有小孔和以小孔为中心的周期性表面凹凸；以及半导体层，其在小孔底部处与导电层相接合；该制造方法包括如下步骤定义并形成半导体层使得用于进行光电转换的区域被限制到与小孔底部相应的位置；形成导电膜；并在导电膜中形成小孔和表面凹凸，从而使小孔和表面凹凸与该区域相匹配。
通常，入射到金属膜的光几乎不能穿过小孔，其中所述金属膜具有小于或等于波长的微孔。然而，如上所述，已知通过在微孔周围配置周期性的表面凹凸，并随后将入射光与金属膜的表面等离子体激元相耦合以便能够产生共振状态，从而可以增强所透射的光的强度。这种效应称作“等离子体激元增强”。然而，根据Tineke Thio等人的上述论文(非专利文献1)，穿过具有波长的40％或更小直径的小孔的光的总能量会衰减到入射光能量的1％或更小，并且因此仅通过将来自微孔的透射光照射半导体不能获得有用的高SN比。
另一方面，被称作近场光(瞬逝光)的光子逸出现象发生在微孔出口附近。认为由周期性表面凹凸导致的等离子体激元增强显著地增强了除透射光以外的这种近场光。结果，可以认为在微孔的出口附近产生了较强的近场光，其在与逸出长度(即，距出口位置的距离)一样的约100nm或更小的窄范围内按指数规律衰减，该近场光处于与平面扩展的孔面积相同级别的范围内。在这种情况下，微孔不需要完全穿透金属膜，并且可以在孔底部保留大约10nm的金属层，近场光穿过金属层并出现在出口侧上。当保留非常薄的金属层时，在金属层表面中，小孔的出口相应于所述表面上小孔的位置，而所述表面不是所述小孔的底表面。近场光受到与金属膜或金属膜周期性结构相接触的材料的折射率影响，由此近场光的逸出范围和强度都发生了变化，但是在出口侧即使存在诸如半导体的材料时仍出现近场光。认为位于微孔附近的近场光类似于一般传播的光一样在半导体内被吸收从而产生电子-空穴对。基于该近场光的电子-空穴对的产生仅在局部近场光区域中进行，并加入到由一般传播光引起的光电流中。因此，如果由近场光产生的电子-空穴对大于由传播光导致产生的电子-空穴对，则入射光的主要能量可以在约100nm或更小的深度处在非常窄的近场光区域中产生光电流。
在此，本发明的发明人已经制造了用于探测等离子体激元增强的近场光的肖特基光电二极管并研究了当入射光具有830nm的波长时的光电流。在该光电二极管中，具有200nm厚度并具有直径300nm的小孔的银(Ag)膜形成在硅(Si)衬底的表面上，该小孔的位置是光探测部分。具有50nm深度和560nm周期的同心凹槽配置在小孔周围的银膜中且通过照射到银膜上的入射光对表面等离子体激元进行激发，从而发生表面等离子体激元共振。此外，10nm厚的铬(Cr)层插在硅衬底和银膜之间的界面处，以便实现衬底和该膜的紧密粘着。为了比较，还制造了没有在银膜上配置同心周期性结构的光电二极管。
图3示出了在反偏电流和这些光电二极管的光电流之间观测到的关系。在图3中，虚线A是在银膜上没有同心周期性结构的光电二极管的光电流的实际测量值，且虚线B示出了在银膜上具有同心周期性结构的光电二极管中根据光电流计算得出的预测值。针对穿过小孔的透射光强度，来评估由表面等离子体激元共振引起的增强率，然后根据该增强率评估预测值。在此根据Tineke Thio等的上述论文(非专利文献1)的数据以及具有入射光波长36％的直径的小孔，将由表面等离子体激元共振引起的增强率估计为大约20倍。实线C示出了银膜上具有同心周期性结构的光电二极管中光电流的实际测量值。
如由图3所示的结果可清楚看出的，当在金属膜中形成了具有小于波长的直径的小孔时，其中在金属膜中的同心周期性结构存在于小孔周围的情况下，光电流实际测量值大于根据透射光的增强率所估计的值。特别是，已经确定当反向偏压低时，流动的光电流比表面等离子体激元增强率大10倍。当反向偏压较低时基于超出预计的光电流显著增大，在银膜和半导体层之间的界面处形成的耗尽层较薄时这种现象变得很突出，并认为这是由这种界面附近集中的光子场所引起的。换言之，认为这种大光电流的发生是受到了Tineke Thio等人未估计到的近场光的影响。基于实验，本发明的发明人已经发现，当使用微孔时，近场光的作用超过了透射光的作用而达到超出所有人预想的程度。
通常，认为由光子产生电子-空穴对的半导体材料的光吸收系数相对较低，因此不能在产生近场光的区域内形成足够数量的电子-空穴对。相反，根据本发明发明人的实验结果，如图3所示，已经发现使用在微孔附近经等离子体激元增强后的近场光能够制造非常小的光电二极管，而该光电二极管具有足够高的光电转换效率。
换言之，调整半导体衬底上金属膜的形状和半导体衬底中载流子的浓度以使近场光区域和耗尽层区域重叠，这能够在近场光传播程度的非常窄的面积中通过光子充分地产生电子-空穴对。在这种情况下，耗尽层的面积或结面积可以是近场光传播(spread)的量级，此外，耗尽层的厚度可以是近场光逸出的量级，且结果，可以使耗尽层的面积和厚度远远小于现有技术的光电二极管且同时保持较高的量子效率。因此可以获得光电二极管，同时实现高量子效率、高速响应和减小的暗电流。
在使用光电二极管的光电探测电路的一般结构中，如图1或2所示，连接到用于探测信号电压的光电二极管的负载电阻与光电二极管中结部分的电容的乘积大体上就是电路的时间常数。本发明的光电二极管能够通过减小结面积来显著减小电容值，并且在此基础上，能够减小电路的时间常数以实现高速操作。
当n型硅用作半导体时，如果将杂质浓度设置为1017cm-3则耗尽层的长度约为100nm，如果将杂质浓度设置为5×1015cm-3则耗尽层的长度为300nm或更大。由于硅的相对介电常数(电介质常数)约为12，将夹有肖特基结的一对电极的间距设置为不大于耗尽层的长度，即，100nm，结果在配置有300nm直径的圆形肖特基结的情况下结电容为0.1fF。即使假定伴随布线图案而产生的寄生电容约为结电容的100倍，当负载电阻为50Ω时光电二极管电路的RC时间常数约为0.5ps，由此可以期望300GHz或更高的高速响应。
另一方面，当使用可以预期的硅的最高漂移速度107cm/s时，根据载流子穿过100nm的耗尽层的迁移时间得到的响应频率约为160GHz。
如由上述评估可以看到的，即使使用具有相对较低光吸收系数的硅时，使用本发明的光电二极管的电路仍具有100GHz或更高的非常高的响应速度。此外，如果与使用现有技术的光电二极管的电路相同的时间常数是可接受的，则为了使结电容降低可以增加负载电阻，且因此可以获得更高的信号电压。更进一步，本发明的光电二极管中小体积的耗尽层降低了由暗电流引起的噪声影响。
使用本发明的光电二极管可以探测的光的频率范围是这样一个区域，在该区域中光子能量低于半导体能隙并且大于或等于金属膜中自由电子的等离子体频率。通过选择用于半导体和金属膜的材料、表面周期性结构的形状和金属膜小孔的直径，可以将本发明的光电二极管用于探测包括可见光、近红外光和远红外光的整个电磁波区域的光。
发明效果从前述解释应明确，本发明可以获得其中结电容非常小的光电二极管，并且通过使用该光电二极管，可以制造具有高速响应的光电转换电路。此外，将更大负载电阻串联连接到光电二极管的能力可以获得比现有技术更高的信号输出电压。获得高信号输出电压的能力进而能够降低配置在光电转换电路后各级的放大器的放大率，或者甚至可以一并省去放大器，不仅可以简化光电转换电路的结构从而降低制造成本，而且可以实现具有低功耗的光电转换电路。
附图简要描述图1示出了现有技术的pin型光电二极管结构示例的截面图；图2示出了现有技术肖特基光电二极管结构示例的截面图；图3示出了光电二极管中反向偏压与光电流之间关系的曲线图，其中所述光电二极管被配置为对经表面等离子体激元共振增强后的近场光进行探测；图4示出了根据本发明第一实施例的肖特基光电二极管结构的部分截面透视图；图5示出了第一实施例的肖特基光电二极管结构的放大截面图；
图6示出了第一实施例的肖特基光电二极管电极排列示例的平面图；图7A至7J示出了第一实施例的肖特基光电二极管制造工艺的工序；图8示出了第一实施例的肖特基光电二极管第二示例的放大截面图；图9示出了图8所示的电极排列的平面图；图10示出了第一实施例的肖特基光电二极管第三示例的平面图；图11示出了第一实施例的肖特基光电二极管第四示例的放大截面图；图12示出了第一实施例的肖特基光电二极管第五示例的放大截面图；图13示出了第一实施例的肖特基光电二极管第六示例的放大截面图；图14示出了第一实施例的肖特基光电二极管第七示例的放大截面图；图15示出了根据本发明第二实施例的肖特基光电二极管结构的截面透视图；图16示出了根据本发明第三实施例的肖特基光电二极管结构的放大截面图；图17示出了第三实施例的肖特基光电二极管第二示例的放大截面图；图18示出了根据本发明第四实施例的光接收模块结构的示意性截面图；以及图19示出了根据本发明第五实施例的光互连模块结构的示意性截面图。
参考数字的说明1、16、24衬底2、14、25、60n+型半导体层
3、15、26、61 n-型半导体层4、17 金属周期性结构部件5、19、29、54、62 第一电极8、20、31、55、63 第二电极6、18、27 小孔7、30 绝缘层9、21、32、56、64 偏置电源10、22、33、50、65 负载电阻11、23、57、67 入射光12 狭缝13 抗反射膜28 金属结构部件40 散射部件51 i层52 p层53 n层59、69 窗口66 半透明金属膜实施本发明的最佳模式《第一实施例》下面说明根据本发明第一实施例的肖特基光电二极管。第一实施例的肖特基光电二极管构造成平面光电二极管。图4示出了该光电二极管整个结构的部分截面透视图，且图5示出了该截面图的放大图。
图示的肖特基光电二极管配置有形成在衬底1的一部分上的n+型半导体层2，诸如在其中表面绝缘的SOI(绝缘体硅)；配置在n+型半导体层2的一部分上的n-型半导体层3；接触n-型半导体层3并具有导电性的金属周期性结构部件4；连接到金属周期性结构部件4的第一电极(阳极电极)5；面对第一电极5并接触n+型半导体层2的第二电极(阴极电极)8；用于在第一和第二电极5和8两端施加反向偏压的偏置电源9；以及插在偏置电源9与第一电极5之间的负载电阻10。
小孔6配置在金属周期性结构部件4中。如将在后面说明的，小孔6未完全穿透金属周期性结构部件4。金属周期性结构部件4仅在小孔6处接触n-型半导体层3并位于小孔6的附近，而且，n-型半导体层3仅形成在小孔6处的n+型半导体层2上并位于小孔6的附近。在其他位置中，绝缘层7配置在金属周期性结构部件4和n+型半导体层2或衬底1之间。第一电极5配置在绝缘层7上并连接到金属周期性结构部件4。第二电极8也配置在绝缘层7上。N+型半导体层2的一部分穿透绝缘层7并出现在绝缘层7上表面处，且n+型半导体层2在该位置处连接到第二电极8。
在该结构中，入射光11入射到形成为金属膜的金属周期性结构部件4，光基本上不穿过该金属膜。入射光11激发金属周期性结构部件4中的表面等离子体激元并与该表面等离子体激元耦合，从而借助于周期性结构与表面等离子体激元产生共振状态。此共振状态的产生在半导体表面附近产生较强的近场光，所述的半导体表面是位于金属周期性结构部件4中心的小孔6的光入射表面的相反表面上的表面。此近场光在耗尽层中生成电子-空穴对并由此产生光电能量，其中所述耗尽层在小孔6附近的半导体侧上伴随有肖特基势垒。入射光11的强度转换成负载电阻10两端上的电压差。
如前面的说明所述，金属周期性结构部件4下面的半导体部分由衬底1、具有高导电率的n+型半导体层2和形成在部分n+型半导体层2的n-型半导体层3构成。可以通过将至少1×1020cm-3浓度的杂质离子注入到硅中从而获得n+型半导体层2。N-型半导体层3可以通过在n+型半导体层2上外延生长包含1×1017cm-3量级杂质离子的半导体晶体来形成。更具体的说明将结合制造工艺在后面给出。
金属周期性结构部件4由具有较小等离子体激元损耗的诸如银(Ag)或金(Au)的材料构成。小孔6配置在金属周期性结构部件4的中心部分，并且以小孔为中心在金属周期性结构部件4中形成由同心的表面凹凸构成的周期性结构。金属周期性结构部件4的表面凹凸周期是表面等离子体激元的共振波长且被设置为稍短于入射光周期(即，信号光周期)的值。例如，在800nm的光波长情况下，表面凹凸的周期为600nm左右。当表面凹凸的深度设置为20至200nm左右的值时体现出表面等离子体激元的效果。优选将金属周期性结构部件4的膜厚设置为至少100nm，以便即使在膜厚最小的凹陷处实际上也没有光透射，且由于过多的膜厚会削弱小孔6附近的近场光，因此膜厚必须不大于1000nm。第一电极5连接到绝缘层7上的金属周期性结构部件4，并且可以使用与金属周期性结构部件4相同的材料与金属周期性结构部件4同时形成。
金属周期性结构部件4上表面凹凸的形状不限于图2所示的矩形轮廓，而还可以采用脊部顶点具有三角形轮廓、侧表面具有曲面或者边角为圆形的形状。即使具有这些形状，也可以看到由表面等离子体激元共振产生相同的效果。此外，凹陷长度与脊部长度之比可以是任意值。即使当仅仅配置一个周期的同心凹凸时，即，当仅形成围绕小孔6的单个圆形结构时，也可以在某种程度上看到效果。然而，通过配置三个或更多周期，即，三个或更多同心圆结构，可以获得更显著的表面等离子体激元共振效应。入射光11照射到金属周期性结构部件4的一部分或全部上。
N-型半导体层3接触金属周期性结构部件4的区域被设置为大体上与小孔6的区域相重叠。出现在微孔附近的近场光的产生区域通常扩展稍稍超过小孔6的直径。结果，由于光刻定位误差，金属周期性结构部件4和n-型半导体层之间的结面积一般在每一侧上比小孔6的直径大10nm至500nm左右。相反，即使小孔6形成得伸出超过结面积以致部分近场光出现在n-型半导体层3的外面，仍然可以作为光电二极管工作。
小孔6没有完全穿透金属周期性结构部件4，且具有约10nm或更小厚度的金属层保留在小孔6的底部。该金属层由具有较小表面等离子体激元损耗的材料构成，例如银或金，该材料是形成金属周期性结构部件4的材料，或者是诸如铬(Cr)的粘结层，或者是这些材料的叠层。可选的，该金属层还可以是不完整的膜，其中在一些部分中形成诸如针孔的孔。肖特基势垒沿金属周期性结构部件4和n-型半导体层3之间的界面产生。近场光的传播距离为100nm或更小，且最大强度的区域位于n-型半导体层3中约10nm深度的位置处。在硅中施主杂质浓度为1×1017cm-3的情况下，由肖特基势垒引起的耗尽层的计算宽度为100nm左右，因此通过进一步增大施主杂质的浓度可以将n-型半导体层3的厚度减小到50nm或更小。
N+型半导体层2具有高达1×1020cm-3或更高的杂质掺杂浓度且与第二电极欧姆接触。然而，即使当n+型半导体层2中的掺杂浓度略低于1×1020cm-3时，如果形成在n+型半导体层2和第二电极之间的肖特基势垒的高度相对低于金属周期性结构部件4和n-型半导体层3之间的肖特基势垒，则也可以获得类似于上述结构的光电二极管的操作。
第一电极5和第二电极8通过偏置电源9连接到负载电阻10，由此将入射光11的强度转换成该电路结构中负载电阻10两端的电位差。
图6示出了绝缘层7上金属周期性结构部件4、第一电极5和第二电极8的位置关系的示例。在此所示的示例中，第一电极5和第二电极8位于相同平面上，且将第二电极8布置成侵入到这样的区域中，所述区域是凹入金属周期性结构部件4的同心表面凹凸的一部分的区域。然而，第一电极5和第二电极8不必形成在相同平面上。此外，由于第二电极8不必产生等离子体激元增强，因此第二电极8不需要使用诸如金或银的与第一电极5相同的材料，例如，可以使用铜(Cu)、镍(Ni)、钨(W)或铝(Al)。
当小孔6的形状为圆形时，当小孔6的直径为入射光波长的一半至1/10范围时，由表面等离子体激元引起的近场光被显著地增强了。这是因为，与传播光一样大部分光子能量通过小孔6透射，且由此当小孔6与波长近似相同或大于波长时，不能将能量限制为近场光。另一方面，当小孔6的直径小于入射光波长的1/10时，尽管利用了等离子体激元增强，仍有小部分能量传播到小孔6的相对侧，并且大部分光子能量都被反射了。因此，当使用具有800nm波长的入射光时，小孔的直径优选在80nm至400nm左右。除圆形外，小孔6还可以是矩形、六边形或卵形。
如前面的说明所述，金属周期性结构部件4仅在小孔6附近接触n-型半导体层3，并且在其他位置中，绝缘层7存在于金属周期性结构部件4和各个半导体层之间。这是因为，存在于光不能到达的范围中的耗尽层对光电能量不起作用且仅对暗电流起作用。用于一般半导体工艺中的材料，例如SiO2，可以用作绝缘层7。此外，当金属周期性结构部件4和n-型半导体层3在耗尽层外形成不期望的寄生电容并增大整个电容值时，电路的响应速度受到延迟。因此，为了减小暗电流并提高响应速度，必须将绝缘层7设置到可能的最大厚度。优选将绝缘层7设置到至少500nm的厚度，由此可以期望将寄生电容减小到1fF或更小的值。还可以将通过用氟(F)或碳(C)掺杂SiO2得到的诸如SiOF或SiOC的具有低介电常数的绝缘膜用作绝缘层7的材料，这些材料有效地减小了寄生电容。
《制造方法》下面说明当硅用作半导体材料时上述光电二极管的制造方法。图7A至7J示出了第一实施例的光电二极管制造方法的工序。
首先，如图7A所示，制备衬底，在该衬底中n+型半导体层2形成在例如由SiO2构成的衬底层1的一个主表面的整个表面上，而n-型半导体层3形成在n+型半导体层2的整个表面上。通过将磷(P)离子以至少1×1020cm-3的浓度注入到硅层中来获得n+型半导体层2，以实现约10-4Ω·cm的电阻率。通过化学气相法在n+型半导体层2上将包含约1×1017cm-3磷的n型硅淀积到约10nm的厚度，从而获得了n-型半导体层3。
接下来，如图7B所示，在n-型半导体层3上形成掩模701，该掩模对准将在完成的光电二极管中形成n+型半导体层2的区域。通过在例如通过化学气相法等淀积的具有100nm至150nm厚度的氮化硅上配置期望形状的光致抗蚀剂，然后对氮化硅进行离子蚀刻等，从而获得掩模701。接着，如图7C所示，使用掩模701蚀刻n-型半导体层3和n+型半导体层2。此时，在未配置掩模701的区域中，n-型半导体层3将被完全除去且大部分n+型半导体层2将被除去从而减小了其厚度。使用已知的半导体制造工艺中的化学干法蚀刻作为蚀刻方法，并使用CF4或CF4和O2的混合气体作为反应气体。
接下来，如图7D所示，进一步构图掩模701以制造约1μm直径的掩模702，该掩模用于与小孔6相应的肖特基连接，以及用于与n+型半导体层2欧姆连接的大于掩模702的掩模703。掩模702和703通过离子蚀刻等形成。接着如图7E所示，在n-型半导体层3和n+型半导体层2的蚀刻中使用掩模701和702以形成用于肖特基连接的平台704和用于欧姆连接的平台705，由此n+型半导体层2和n-型半导体层3在完成的光电二极管中获得了相同的形状。换言之，从除了用于肖特基连接的平台704区域、用于欧姆连接的平台705区域及连接两个平台704和705的区域之外的区域中完全去除n+型半导体层2。使用半导体制造工艺中已知的化学干法蚀刻作为蚀刻方法，并使用CF4或CF4和O2的混合气体作为反应气体。
接着将N-型半导体层3和n+型半导体层2埋入绝缘层7中。例如，绝缘层7由SiO2构成并通过偏压CVD形成，偏压CVD是将离子吸引到衬底侧以填充水平差的等离子体化学气相法。在生长SiO2膜之后，将衬底放置在约130℃的热磷酸中约一个小时以除去掩模702和703。图7F示出了去除掩模702和703后的衬底。通过优化平台形状和氧化工艺可以获得大体平坦的表面，但通过使用诸如机械-化学抛光(CMP)的抛光技术可以获得更平坦的表面。
接着，如图7G所示，例如借助于化学离子蚀刻除去用于欧姆连接的平台705上的n-型半导体层3。接着，如图7H所示，在将成为金属周期性结构部件4、第一电极5和第二电极8的位置中配置金属层图案706。该金属层图案706优选由具有低电阻率的材料构成。此外，该金属层图案706的膜厚优选不大于200nm，以便以高水平保持金属周期性结构部件4的小孔6处的信号光的透射率，并防止由表面等离子体激元产生的增强效应的干扰。当对硅具有低粘附性的诸如银的材料被用于金属层图案706时，可以配置作为粘附层的铬、钛、钽、钨、镍等作为金属层图案706的底层，粘附层的厚度为10nm或更小，优选为3nm或更小。金属层图案706，分开形成了覆盖整个肖特基连接平台的图案和覆盖一部分欧姆连接平台的图案，这两个图案电隔离。
接着，如图7I所示，将小孔6形成在金属层图案706中肖特基连接的平台704的中心部分位置处。进一步在金属层图案706上形成用于金属周期性结构部件4、第一电极5和第二电极8的膜。此时，预先配置了光致抗蚀剂掩模，以在除了形成金属层图案706的位置之外的区域中不形成金属膜。在形成电极之后，进行已知的剥离法，用于除去光致抗蚀剂掩模和不需要的金属，由此形成金属周期性结构部件4、第一电极5和第二电极8。在光学区域具有低电阻率并限制表面等离子体激元损耗的诸如银或金的材料被用作金属周期性结构部件和电极，但第二电极8只需要是导体且不需要使用银或金。
接着，如图7J所示，具有间距P的周期性表面凹凸形成在金属周期性结构部件4的表面中，例如，通过剥离法等额外形成与电极相同金属(银或金)的额外金属层707。
图4至6示出了通过上述工艺完成的光电二极管。
在上述第一实施例中，可以使用诸如锗或SiGe的IV族元素的其他半导体代替硅作为用于制造光电二极管的半导体材料。也可以使用III-V族化合物半导体GaAs或InP。根据受光吸收系数和带隙限制的波长极限来确定这些材料的选择。当使用硅时，在800nm至900nm附近的波长处获得优良的光电二极管特性，当使用锗时在1300nm至1500nm附近的波长处获得，当使用在InP上生长的InGaAs时在1300nm至1600nm附近的波长处获得。当使用锗时，使用利用超高真空化学气相淀积法、分子束外延法等制造的诸如GOI(绝缘体锗)衬底的衬底代替SOI衬底。当使用III-V族化合物半导体形成光电二极管时，可以使用半绝缘衬底代替绝缘衬底，且n+型III-V族化合物半导体层可以形成在半绝缘衬底上。例如，n+型GaAs层形成在半绝缘半导体GaAs衬底上，然后将n-型GaAs层进一步形成在该部分表面上。布置由银构成的金属周期性结构部件使其接触此n-型GaAs层。
接下来说明上述第一实施例的光电二极管结构的其他示例。
图8和图9示出了第一实施例肖特基光电二极管的第二示例。该光电二极管类似于图4至6所示的光电二极管，但是与图4至6所示的光电二极管的区别在于在具有同心表面凹凸的金属周期性结构部件4中没有配置用于嵌入第二电极8的凹陷部分。
图10示出了第一实施例光电二极管的第三示例。该光电二极管类似于图4至6所示的光电二极管，但是与图4至6所示的光电二极管的区别在于金属周期性结构部件4具有如下形状，其中将图4至6所示的光电二极管中的金属周期性结构部件切割成条状，且沿金属周期性结构部件4的三条边形成第二电极8，从而围绕该条状金属周期性结构部件4。
图11示出了第一实施例肖特基光电二极管的第四示例。该光电二极管类似于图10所示的光电二极管，但是与图10所示的光电二极管的区别在于，形成窄狭缝12来代替小孔6，且金属周期性结构部件的表面凹凸不形成为同心的表面凹凸，而是形成为平行凹槽。狭缝12的间隙优选为入射光波长的一半或更小，且狭缝12的纵向长度优选不大于入射光的波长。
图12示出了第一实施例肖特基光电二极管的第五示例。该光电二极管类似于图4至6所示的光电二极管，但区别在于金属周期性结构部件4与n-型半导体层3接触的界面以及金属周期性结构部件4与绝缘层7接触的界面大体上位于相同的平面上。这里，“基本相同的平面”是指两个界面之间的水平差相对于光的波长来说足够小，更具体的，为波长的1/30或更小的尺寸。可以通过如下方法制造具有这种结构的光电二极管当形成用于肖特基连接的平台和用于欧姆连接的平台时，可以通过分别对n+型半导体层2接触第一电极的位置和接触第二电极的位置使用不同掩模，从而通过分子束外延或超高真空化学气相法淀积n-型半导体层和n+型半导体层。这种构造的优点在于同时制造形成金属周期性结构部件4、第一电极5和第二电极8。
图13示出了第一实施例肖特基光电二极管的第六实施例。在该光电二极管中，与每个上述示例的光电二极管相反，配置在金属周期性结构部件4上的小孔6被完全穿透，从而露出小孔6下面的n-型半导体层3，并且金属周期性结构部件4在小孔外围处接触n-型半导体层3。如果小孔6的直径不大于入射光波长的一半，则通过小孔6透射光的量非常小并且出现在小孔6反面上的几乎所有光子都是近场光形式。因此，可以获得光电二极管，其操作类似于在小孔6底部存在金属层的情况。
图14示出了第一实施例肖特基光电二极管的第七示例。该光电二极管类似于图13所示的光电二极管，但区别在于透明膜14被配置在金属周期性结构部件4上以覆盖金属周期性结构部件4表面的整个周期性结构，其中所述透明膜具有与n-型半导体层3大体相等的折射率。配置透明膜14降低了小孔6外侧上的光反射。例如，当构成的光电二极管用于具有1300nm波长的信号光时，掺杂有锑的锗被用作n-型半导体层3，并使用硅或SiGe作为透明膜14以实现这种结构。在图14所示的构造中，透明膜14被抗反射膜13覆盖以获得进一步减小的反射。优选使用这样的材料作为抗反射膜13，所述材料的折射率接近于透明膜14的折射率的平方根。当使用硅作为透明膜14时，可以使用HfO2或Ta2O5用于抗反射膜13。
《第二实施例》接下来说明根据本发明第二实施例的肖特基光电二极管。第一实施例的光电二极管为平面型，而第二实施例的光电二极管使用绝缘衬底，并将第一电极布置在衬底前表面上和将第二电极布置到后表面上。图15示出了第二实施例的光电二极管的结构。
如第一实施例中的情况，在绝缘衬底16的表面上，将小孔18配置在中心并在小孔18周围形成金属周期性结构部件17，该金属周期性结构部件具有由同心表面凹凸构成的周期性结构。如同图4至6所示的光电二极管一样，小孔18不完全穿透金属周期性结构部件17。在衬底16的表面上进一步配置电连接到金属周期性结构部件17的第一电极(阳极电极)19。
相应于小孔16位置，在衬底16中形成通孔，并在插入通孔20的衬底16的相对侧表面上配置第二电极(阴极电极)20。用于与第二电极20欧姆连接的N+型半导体层14和形成在n+型半导体层14上的n-型半导体层15配置在衬底16中形成的通孔中。N-型半导体层15到达衬底16的表面并与金属周期性结构部件17连接。
在该光电二极管中，可以将第一实施例中第二至第七示例所述的结构和形状用于金属周期性结构部件17与每个电极19和20。
第一电极19和第二电极20通过负载电阻22连接到偏置电源21，并从偏置电源21将反向偏压施加到该光电二极管。
当使用硅作为该光电二极管中的半导体材料时，通过调整掺入硅中的砷形成n+型半导体层14和n-型半导体层15。可以将银用于电极19和20。同样在该光电二极管中，将金属周期性结构部件17的同心表面凹凸的周期设置为700nm，当入射信号光的波长在800nm附近时，这能够产生显著的等离子体激元共振，并且出现于n-型半导体层15一侧上的小孔18附近的近场光强度被显著增强了且被紧密地限制到小孔18的出口附近。结果，与第一实施例的情况一样，可以在第二实施例中获得表现出高量子效率的光电二极管。
《第三实施例》下面对根据本发明第二实施例的肖特基光电二极管进行说明。图16所示的第三实施例的光电二极管类似于第一实施例的光电二极管，但区别在于，在配置于金属周期性结构部件4中的小孔6底表面上配置用于散射光的微小散射部件40。作为用于这种散射部件40的材料，在光波长区域中电阻较低的材料是合适的，可以使用与用于金属周期性结构部件4相同的金属材料，例如，银、金等。散射部件40的体积和形状会影响表面等离子体激元共振的状态，从约5nm2到与入射光波长相同级别的尺寸范围内的散射部件40表现出宽范围的影响。例如，散射部件40可以具有圆柱形或方棒形。
在小孔6底表面上配置散射部件40能够降低小孔6出口侧上传播光的分量，同时增大小孔6的直径以增强近场光。更具体的，可以在散射部件40与小孔6内壁之间的距离不超过入射光波长一半的范围内增大小孔6的尺寸。此外，散射部件40和小孔6的底表面不必接触且可以分开不大于入射光波长的微小距离。在图示的器件中，散射部件40布置在构成小孔6底表面的金属膜上，期间插有薄的介电层41。可选地，小孔可以完全穿透导体，并且在图13所示的结构中也可以应用穿透小孔的模式。
图17示出了第三实施例中光电二极管的第二示例。该光电二极管与图16所示的光电二极管的区别在于，微型散射部件40埋置在n-型半导体层3的最上表面中。在光的波长区域中具有低电阻的材料仍然适用于该散射部件40，并且可以使用与金属周期性结构部件4中所用的诸如银或金的相同金属材料。同样在此示例中，散射部件40的体积和形状会影响表面等离子体激元共振的状态，且尺寸在约5nm平方至与入射光波长相同量级的范围内变化的散射部件40表现出宽范围的影响。当在该光电二极管中接触小孔6底表面金属层的n-型半导体层3中配置散射部件40时，降低了传播光的分量并且可以在肖特基结附近的半导体层中产生更强的近场光。
通过在该小孔6中布置散射部件40，或者通过将散射部件40埋置在n-型半导体层3的最上表面中，对于如下结构的光电二极管来说也可以获得与前述相同的效果，其中所述结构是，在小孔6完全穿透金属周期性结构部件4。
《第四实施例》接下来说明本发明肖特基光电二极管的应用示例。图18示出了使用本发明肖特基光电二极管的40Gbps(每秒千兆位)传输(速率)的光接收模块。
光纤73从外部引到模块外壳78中。在模块外壳78中，基于本发明的光电二极管71被布置为面对光纤73的端面，在光纤73的端面和光电二极管71之间配置透镜74，该透镜用于光学地耦合光纤73和光电二极管71并将由光纤73发射的信号光77聚焦到光电二极管71的光接收表面上。光电二极管71配置在芯片载体72的侧表面上并通过电导线76连接到前置放大器IC(集成电路)75，该前置放大器IC配置在芯片载体72上表面上。光电二极管71将信号光77转换成电信号，并通过电导线76将电信号提供到前置放大器IC 75。前置放大器IC 75对作为输入施加的电信号进行放大。
通过使用这样的衬底来形成光电二极管71，在所述衬底中利用外延生长在InP上形成InGaAs膜，并且该光电二极管具有由InGaAs膜上的银或金构成的金属周期性结构部件。当光电二极管用于传输具有1.55μm波长的红外光时，金属周期性结构部件上表面凹凸的周期可以设置为约1.2μm，且当形成8个周期的同心环形表面凹凸时，外圆周的直径约为20μm。金属周期性结构部件中表面凹凸的深度优选为0.1至0.4μm左右，且小孔直径优选为0.3至0.7μm左右。
在现有技术的40Gbps传输率的光接收模块中，经常采用侧面入射波导型的光电二极管作为安装在模块外壳内的光电二极管。其原因在于，当为了降低其中光照射到半导体表面的表面入射型光电二极管中的电荷载流子迁移时间而减小吸收层的厚度时，不能获得较高的吸收效率。另一方面，通过在吸收层面内方向对光进行吸收，波导型获得了具有短电荷载流子迁移时间的高吸收效率。然而，在40Gbps的波导型器件中，吸收层的厚度通常为1μm或更小，且与光电二极管和光纤的位置对准有关的耦合容差必须在±1μm左右。因此从封装设计和制造成本的立场来看，使用现有技术光电二极管的光接收模块必然存在严重问题。
相反，根据本发明的光电二极管在光接收表面处具有20μm的有效直径，因此，耦合容差可以是±2μm或更大。结果，可以通过简单的透镜耦合来完成光纤和光电二极管的光耦合，并由此可以降低用于传输的光接收模块的成本。在图18所示的40Gbps传输率的光接收模块中，当传输1.55μm波长时获得-12dBm的最小接收灵敏度。已经证实，通过使用本发明的光电二极管，以特性的观点来看，与安装波导型光电二极管的现有技术的40Gbps光接收模块相比，可以实现更优的光接收模块。
《第五实施例》接下来说明本发明的肖特基光电二极管的应用示例。图19示出了用于各LSI(大规模集成)芯片之间连接的光学互连模块，其中所述各LSI芯片安装了本发明的肖特基光电二极管。
正在研究通过光纤和将光学信号作为信号传输的LSI互连，以将该互连作为在安装于线路板上的LSI之间高速传输信号的装置。LSI内的信号处理针对电信号进行，因此需要光学互连模块用于实现光纤和每个LSI芯片之间的连接，将来自光纤的信号光转换成输入到LSI芯片的电信号，并用于将LSI芯片提供的电信号转换成光信号并将这些信号引到光纤中。
将基于本发明的光电二极管81和配置有电调制结构的VCSEL(垂直腔表面发射激光器)光源82配置在安装板89的一个表面上，并将通过表面等离子体激元共振用于增强近场光强度的金属周期性结构部件90形成在光电二极管81的光接收表面上。将安装板89贴附于集成LSI芯片的LSI封装87的表面。用于光源和调制的电导线通孔85和用于光电二极管电导线的通孔86形成在LSI封装87中。通孔85形成在安装板89中并连接到电导线层91，该电导线层与VCSEL光源82相连。通孔86形成在安装板89中并连接电导线层92，该电导线层与光电二极管81相连。
布置LSI安装板88以面对安装板89。LSI安装板88的表面配置有用于光信号输入的光纤83、用于光信号输出的光纤84、用于将光纤83的端面发射的信号光引向光电二极管81的凹透镜93，和用于将来自VCSEL光源82的信号光引向光纤84的凹透镜94。凹透镜93光耦合光纤83和光电二极管81，且凹透镜94光耦合光纤84和VCSEL光源82。
在这种光学互连模块中，用作光信号输入的来自光纤83的信号光通过凹透镜93照射到金属周期性结构部件90上。当使用具有850nm波长的光作为信号光时，使用硅作为光电二极管81中使用的半导体材料，并将金属周期性结构部件90中的表面凹凸周期设置为600nm至700nm。由硅构成的光电二极管81通过由金属周期性结构部件90产生的近场光生成光电流，并将与光信号相应的电流通过用于光电二极管的通孔86和电导线层92输送到LSI。借助于金属周期性结构部件90的功能，与凹透镜93和光电二极管的定位有关的耦合容差可以设置为±1μm或更大。在这种情况下，可以在紧接着光电二极管81的位置处在穿过电导线层92的半路配置用于放大电信号的前置放大器。
从通孔85传送LSI的电信号，并通过电导线层91由通过VCSEL光源82转换成光信号，其中所述VCSEL光源配置有电调制结构。光信号被凹透镜94反射并由此引到用于光信号的光纤84。配置有电调制结构的VCSEL光源82可以被利用电信号调制光的其他已知结构取代，例如通过电光效应或通过热光效应对来自外部光源的光进行调制的Mach-Zehnder调制器。
可以使用诸如平面光波导的其他已知结构代替光纤，以用于前述光学互连模块中的输入光信号。此外，也可以使用诸如凸透镜的聚光结构来代替凹透镜93。
当在用于LSI芯片之间互连的现有技术的光学互连模块中以20GHz或更高的高速操作为目标时，使用诸如在InP衬底上生长的InGaAS的化合物半导体材料来实现用于光接收的光电二极管的高速响应。这种化合物半导体难以与硅半导体器件的制造工艺相匹配，结果，现有技术的光学互连模块必然存在高制造成本的问题。
相反，本实施例的光学互连模块使用根据本发明的使用硅作为半导体材料的光电二极管，因此可以降低制造成本。已经证实，当实际制造图19所示的光学互连模块时，实现了约40GHz的高速光电转换操作。
《其他实施例》虽然前面的说明是本发明的优选实施例，但是很明显，在上述实施例的每一个中，现有技术中的已知技术可以与本发明的技术相组合，例如通过透镜会聚入射光并将光随后照射到金属周期性结构部件上。
配置在金属周期性结构部件中的小孔的平面形状不必须限于圆形或狭缝，也可以是卵形、椭圆形、哑铃形，甚至正方形或矩形，即使当使用这些形状的小孔时也可以获得与上述相同的效果。还可以使用邻近布置的多个小孔来代替单个小孔。
考虑到沿小孔深度方向的形状，上述实施例包括如下结构小孔不穿透金属周期性结构部件并在小孔底表面上保留金属层的结构；在小孔底表面上具有导电光学散射部件的结构，以及金属周期性结构部件被完全穿透且小孔不具有底表面的结构。然而，小孔的截面形状不限于这些形式，且在每个上述示例中可以选择各种截面形状的小孔。因此，小孔平面形状和截面形状的任何组合(包括示例中所示的形式)都是可行的。
权利要求
1.一种光电二极管，包括导电膜，其具有直径小于入射光波长的小孔，和配置在所述小孔周围的周期性结构，其用于借助所述膜表面的入射光通过所述导电膜的膜表面中受激发的表面等离子体激元来产生共振状态；以及配置在所述导电膜的所述小孔附近并接触所述导电膜的半导体层；其中所述光电二极管近场光进行探测，所述近场光是通过所述受激的表面等离子体激元在所述导电膜和所述半导体层之间的界面处产生的。
2.根据权利要求1的光电二极管，其中所述导电膜是金属膜，通过该金属膜，所述入射光不会穿过除了所述小孔之外的位置。
3.根据权利要求1或2的光电二极管，其中由所述导电膜和所述半导体层形成的肖特基势垒出现的区域大体上与产生所述近场光的区域相匹配。
4.根据权利要求1或2的光电二极管，其中所述周期性结构包括表面凹凸，所述表面凹凸在距所述小孔距离增大的方向上具有周期。
5.一种光电二极管，包括导电膜，其具有第一表面和第二表面并包括小孔，其具有比从第一表面侧形成的入射光波长小的直径；和包括表面凹凸的周期性结构，所述表面凹凸在距所述小孔距离增大的方向上具有周期性；配置于所述导电膜的所述小孔附近并接触所述导电膜第二表面的一种导电类型的第一半导体层；以及所述一种导电类型的第二半导体层，其杂质浓度高于第一半导体层中的杂质浓度，并且接触所述第一半导体层的与所述导电膜的第二表面接触的另一表面相对的表面。
6.根据权利要求5的光电二极管，其中所述导电膜由金属膜构成，且所述表面凹凸形成在所述第一表面中。
7.根据权利要求5的光电二极管，其中所述周期性结构由以所述小孔为中心的同心凹槽构成。
8.根据权利要求5至7任一项的光电二极管，还包括电连接到所述第一半导体层的第一电极和电连接到所述导电膜的第二电极，用于在与所述第二半导体层的所述导电膜接合处附近施加反向偏压以形成肖特基势垒；其中插在所述第一半导体层和所述导电膜之间的所述第二半导体层的厚度小于或等于近场光的逸出长度，其中当光从所述第二表面照射到所述导电膜上时，该近场光出现在所述小孔位置处的所述第一表面侧上。
9.根据权利要求5至7任一项的光电二极管，其中所述小孔具有底表面部分，该底表面部分是所述导电膜的一部分。
10.根据权利要求5至7任一项的光电二极管，其中由导电材料构成的用于散射光的散射部件布置在所述小孔中。
11.根据权利要求9的光电二极管，包括由导电材料构成的用于散射光的散射部件，所述散射部件从如下位置被埋置在所述第二半导体层中，其中所述位置是相应于所述小孔位置处、在所述底表面部分与所述第二半导体层之间的界面。
12.根据权利要求5至7任一项的光电二极管，其中所述小孔穿透所述导电膜并到达所述第二半导体层，并且在所述导电膜中，围绕所述小孔的外围部分接触所述第二半导体层。
13.根据权利要求12的光电二极管，其中由导电材料构成的用于散射光的散射部件埋置在相应于所述小孔位置的所述第二半导体层的表面中。
14.根据权利要求5至7任一项的光电二极管，其中将具有基本等于所述第二半导体层的折射率的透明膜配置在所述导电膜的所述第一表面上。
15.根据权利要求14的光电二极管，还包括配置在所述透明膜上的入射光的抗反射膜。
16.根据权利要求5至7任一项的光电二极管，其中所述导电膜是金属膜，且所述小孔的直径至少为所述入射光波长的1/10但不大于其1/2。
17.根据权利要求16的光电二极管，其中所述周期性结构的周期性小于或等于所述入射光的波长。
18.根据权利要求16的光电二极管，其中将所述周期性结构的周期性设置为由所述入射光在所述导电膜上激发的表面等离子体激元的共振波长。
19.根据权利要求16的光电二极管，其中所述金属膜在所述周期性结构的凹部具有不大于1000nm但至少为100nm的厚度，且所述表面凹凸的深度至少为20nm但不大于200nm。
20.根据权利要求8的光电二极管，其中插在所述第一半导体层和所述导电膜之间的所述第二半导体层的厚度至少为50nm但不大于100nm。
21.一种制造光电二极管的方法，该光电二极管具有包括小孔的导电膜和以所述小孔为中心的周期性表面凹凸，以及半导体层，所述半导体层在所述小孔的底部位置处与所述导电膜接合，该方法包括步骤限定并形成所述半导体层，使得用于进行光电转换的区域被限制到与所述小孔的底部相应的位置；形成所述导电膜；并且在所述导电膜中形成所述小孔和所述表面凹凸，使所述小孔和所述表面凹凸与所述区域相匹配。
22.一种光学模块，包括根据权利要求1或5的光电二极管，用于探测由光纤发射的信号光，以便将其作为电信号来提供；以及用于放大该电信号的前置放大器。
23.根据权利要求23的光学模块，包括外壳；以及用于光耦合所述光纤和所述光电二极管的装置；其中所述光电二极管和所述前置放大器容纳在所述外壳中。
24.一种光学互连模块，包括根据权利要求1或5的光电二极管，用于接收由第一光纤发射的入射光以产生第一信号电流；光源，用于产生照射到第二光纤中的信号光；以及安装板，其上布置有所述光电二极管和所述光源；其中将所述第一信号电流提供到LSI，所述光源根据来自所述LSI的第二信号电流产生所述信号光。
25.根据权利要求24的光学互连模块，还包括第一耦合装置，用于光耦合所述第一光纤和所述光电二极管；以及第二耦合装置，用于光耦合所述光源和所述第二光纤。
全文摘要
本发明涉及一种肖特基光电二极管，其包括半导体层和配置为接触半导体层的导电膜。导电膜具有小孔和配置在所述小孔周围的周期性结构，用于借助膜表面的入射光通过导电膜的膜表面中受激发的表面等离子体激元产生共振状态。光电二极管探测由受激的表面等离子体激元在导电膜和半导体层之间界面处产生的近场光。小孔具有小于入射光波长的直径。
文档编号H01L31/0224GK1965414SQ200580018358
公开日2007年5月16日 申请日期2005年4月5日 优先权日2004年4月5日
发明者大桥启之, 石勉, 马场寿夫, 藤方润一, 牧田纪久夫 申请人:日本电气株式会社