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光電二極管、用于制造這種光電二極管的方法、光學(xué)通信設(shè)備和光學(xué)互連模塊

閱讀：373發(fā)布：2021-01-20

專(zhuān)利匯可以提供光電二極管、用于制造這種光電二極管的方法、光學(xué)通信設(shè)備和光學(xué)互連模塊專(zhuān)利檢索，專(zhuān)利查詢(xún)，專(zhuān)利分析的服務(wù)。并且光電 二極管 的高光接收靈敏度和高速被同時(shí)實(shí)現(xiàn)。所述 光電二極管 設(shè)置有 半導(dǎo)體 層(1)和一對(duì)金屬 電極 (2)，所述金屬電極(2)以間隔(d)設(shè)置在半導(dǎo)體層(1)的表面上，并且形成MSM結(jié)。所述間隔(d)滿(mǎn)足關(guān)系λ>d>λ/100，其中λ是入射光的 波長(zhǎng) 。所述金屬電極(2)能夠感生 表面 等離子體 。所述電極中的至少一個(gè)與半導(dǎo)體層(1)形成 肖特基結(jié) ，并且下端部分嵌入半導(dǎo)體層(1)中到小于λ/2n的深度的 位置 ，其中n是半導(dǎo)體層(1)的折射率。，下面是光電二極管、用于制造這種光電二極管的方法、光學(xué)通信設(shè)備和光學(xué)互連模塊專(zhuān)利的具體信息內(nèi)容。

1.一種光電二極管，包括：
半導(dǎo)體層；以及
一對(duì)金屬電極，以間隔d設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的表面上，該對(duì)金屬電極形成MSM結(jié)，其中所述間隔d滿(mǎn)足關(guān)系λ＞d＞λ/100，其中λ是入射光的波長(zhǎng)，并且
其中，所述對(duì)金屬電極能夠感生表面等離子體，并且所述對(duì)金屬電極中的至少一個(gè)電極與所述半導(dǎo)體層形成肖特基結(jié)，并且所述對(duì)金屬電極的下端以小于λ/2n的深度嵌入所述半導(dǎo)體層中，其中n是所述半導(dǎo)體層的折射率，并且
其中，所述對(duì)金屬電極堆疊在所述半導(dǎo)體層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述對(duì)金屬電極中的一個(gè)金屬電極與所述半導(dǎo)體層形成肖特基勢(shì)壘型結(jié)，并且另一個(gè)金屬電極與所述半導(dǎo)體層形成歐姆結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述對(duì)金屬電極包括：
第一金屬膜，與所述半導(dǎo)體層形成所述肖特基結(jié)；以及
第二金屬膜，堆疊在所述第一金屬膜上，所述第二金屬膜能夠感生表面等離子體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，進(jìn)一步包括遠(yuǎn)離所述對(duì)金屬電極的表面λ/2或以下的距離而設(shè)置的光限制結(jié)構(gòu)，
2
其中，所述光限制結(jié)構(gòu)將入射光限制在具有λ或以下的內(nèi)直徑或具有10μm 或以下的面積的微小區(qū)域內(nèi)，所述微小區(qū)域與夾在所述對(duì)金屬電極之間的區(qū)域進(jìn)行光耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光電二極管，其中，所述光限制結(jié)構(gòu)包括感生表面等離子體諧振的導(dǎo)電膜，并且其中
所述導(dǎo)電膜包括形成所述微小區(qū)域的微小開(kāi)口和凸起/凹入結(jié)構(gòu)，所述凸起/凹入結(jié)構(gòu)具有交替并且同心地分布在所述微小開(kāi)口周?chē)陌既氩亢屯蛊鸩俊?br/>6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光電二極管，其中，所述導(dǎo)電膜由鋁、銀、金或銅構(gòu)成，或由元素鋁、銀、金和銅中的兩個(gè)或以上構(gòu)成的合金構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光電二極管，其中，所述微小開(kāi)口設(shè)置有從所述微小開(kāi)口周?chē)怀鲞M(jìn)入所述微小開(kāi)口的至少一個(gè)金屬突起。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光電二極管，其中，所述金屬突起包括一對(duì)或多對(duì)彼此相對(duì)的金屬突起。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光電二極管，其中，所述金屬突起由鋁、銀、金或銅構(gòu)成，或由元素鋁、銀、金和銅中的兩個(gè)或以上構(gòu)成的合金構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光電二極管，其中，作為用于光耦合的介質(zhì)的介電膜被插入所述對(duì)金屬電極和所述光限制結(jié)構(gòu)之間。
2
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述光電二極管具有100μm 或以下的結(jié)面積。
2
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述光電二極管具有10μm 或以下的結(jié)面積。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層具有1μm或以下的厚度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層具有200nm或以下的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層包括由Si、SixGe1-x、Ge、GaN、GaAs、GaInAs、GaInP或InP制成的至少一個(gè)層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層包括由SixGe1-x或Ge制成的層，并且其中，由Ni和Ge制成的合金層形成在每個(gè)金屬電極與所述半導(dǎo)體層之間的結(jié)區(qū)域中。
17.一種光電二極管，包括：
半導(dǎo)體層；
一對(duì)金屬電極，以間隔d設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的表面上；以及
相對(duì)電極，被設(shè)置為與所述半導(dǎo)體層的所述表面相對(duì)的半導(dǎo)體層的表面相接觸，其中，所述間隔d滿(mǎn)足關(guān)系λ＞d＞λ/100，其中λ是入射光的波長(zhǎng)，并且其中，所述對(duì)金屬電極能夠感生表面等離子體，所述對(duì)金屬電極中的至少一個(gè)電極與所述半導(dǎo)體層形成肖特基結(jié)，并且所述對(duì)金屬電極的下端以小于λ/2n的深度嵌入所述半導(dǎo)體層中，其中n是所述半導(dǎo)體層的折射率，并且
其中，所述對(duì)金屬電極堆疊在所述半導(dǎo)體層上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管，其中，所述對(duì)金屬電極包括：
第一金屬膜，與所述半導(dǎo)體層形成所述肖特基結(jié)；以及
第二金屬膜，堆疊在所述第一金屬膜上，所述第二金屬膜能夠感生表面等離子體。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光電二極管，其中，所述第二金屬膜由鋁、銀、金或銅構(gòu)成，或由元素鋁、銀、金和銅中的兩個(gè)或以上構(gòu)成的合金構(gòu)成。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管，進(jìn)一步包括遠(yuǎn)離所述對(duì)金屬電極的表面λ/2或以下的距離而設(shè)置的光限制結(jié)構(gòu)，
2
其中，所述光限制結(jié)構(gòu)將入射光限制在具有λ或以下的內(nèi)直徑或具有10μm 或以下的面積的微小區(qū)域內(nèi)，所述微小區(qū)域與夾在所述對(duì)金屬電極之間的區(qū)域進(jìn)行光耦合。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光電二極管，其中，所述光限制結(jié)構(gòu)包括多層結(jié)構(gòu)或光子晶體結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)由兩個(gè)或兩個(gè)以上周期性設(shè)置的具有彼此不同的介電函數(shù)的介質(zhì)構(gòu)成。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光電二極管，其中，所述光限制結(jié)構(gòu)包括由介電材料、有機(jī)化合物或半導(dǎo)體材料制成的光波導(dǎo)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光電二極管，其中，所述光波導(dǎo)包括環(huán)型諧振器結(jié)構(gòu)。
2
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管，其中，所述光電二極管具有100μm 或以下的結(jié)面積。
2
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光電二極管，其中，所述光電二極管具有100μm 或以下的結(jié)面積。
2
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管，其中，所述光電二極管具有10μm 或以下的結(jié)面積。
2
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光電二極管，其中，所述光電二極管具有10μm 或以下的結(jié)面積。
28.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層具有1μm或以下的厚度。
29.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層具有1μm或以下的厚度。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層具有200nm或以下的厚度。
31.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層具有200nm或以下的厚度。
32.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層包括由Si、SixGe1-x、Ge、GaN、GaAs、GaInAs、GaInP或InP制成的至少一個(gè)層。
33.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層包括由Si、SixGe1-x、Ge、GaN、GaAs、GaInAs、GaInP或InP制成的至少一個(gè)層。
34.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管，其中，所述半導(dǎo)體層包括由SixGe1-x或Ge制成的層，并且其中由Ni和Ge制成的合金層形成在每個(gè)金屬電極與所述半導(dǎo)體層之間的結(jié)區(qū)域中。
35.一種光電二極管，包括：
半導(dǎo)體層；
一對(duì)P電極和N電極，以一定間隔設(shè)置在所述半導(dǎo)體層中，所述對(duì)P電極和N電極和所述半導(dǎo)體層形成PIN結(jié)；以及
金屬膜，所述金屬膜以間隔d設(shè)置在所述半導(dǎo)體層的表面上，堆疊在所述P電極和N電極上，
其中，所述間隔d滿(mǎn)足關(guān)系λ＞d＞λ/100，其中λ是入射光的波長(zhǎng)，以及其中，所述金屬膜能夠感生表面等離子體，并且以小于λ/2n的深度嵌入所述半導(dǎo)體層中，其中n是所述半導(dǎo)體層的折射率。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的光電二極管，其中，所述金屬膜由鋁、銀、金或銅構(gòu)成，或由元素鋁、銀、金和銅中的兩個(gè)或以上構(gòu)成的合金構(gòu)成。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的光電二極管，進(jìn)一步包括遠(yuǎn)離所述對(duì)金屬膜的表面λ/2或以下的距離而設(shè)置的光限制結(jié)構(gòu)，
2
其中，所述光限制結(jié)構(gòu)將入射光限制在具有λ或以下的內(nèi)直徑或具有10μm 或以下的面積的微小區(qū)域內(nèi)，所述微小區(qū)域與夾在所述對(duì)金屬膜之間的區(qū)域進(jìn)行光耦合。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光電二極管，其中，作為用于光耦合的介質(zhì)的介電膜被插入所述金屬膜和所述光限制結(jié)構(gòu)之間。
39.一種用于制造光電二極管的方法，包括步驟：
通過(guò)蝕刻在半導(dǎo)體層的表面上以間隔d形成一對(duì)凹槽，所述半導(dǎo)體層形成在襯底上；
在形成有所述凹槽的半導(dǎo)體層上堆疊金屬層；以及
利用離子束蝕刻所述金屬層并且由此僅在所述凹槽中形成具有小于λ/2n的深度的金屬電極，其中λ是入射光的波長(zhǎng)并且n是所述半導(dǎo)體層的折射率。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的用于制造光電二極管的方法，進(jìn)一步包括：
在其間具有間隙的金屬電極上堆疊感生表面等離子體的導(dǎo)電材料；以及
通過(guò)離子束蝕刻提供具有微小開(kāi)口的所述導(dǎo)電材料，其中，所述微小開(kāi)口設(shè)置在與夾在一對(duì)所述金屬電極之間的區(qū)域相對(duì)的位置。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的用于制造光電二極管的方法，其中，所述離子束包括氣體團(tuán)簇離子，所述氣體團(tuán)簇離子通過(guò)電離由原子或分子構(gòu)成的團(tuán)簇獲得。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的用于制造光電二極管的方法，其中，提供所述微小開(kāi)口的步驟包括通過(guò)設(shè)置在蝕刻儀器中的質(zhì)譜儀檢測(cè)蝕刻的量。
43.一種用于制造光電二極管的方法，包括步驟：
通過(guò)蝕刻在半導(dǎo)體層的表面上以間隔d形成一對(duì)凹槽，所述半導(dǎo)體層形成在襯底上；
在形成有凹槽的半導(dǎo)體層上堆疊P電極層、N電極層和金屬層使得所述P電極層或所述N電極層選擇性地堆疊在每個(gè)凹槽中，并且然后所述金屬層堆疊在所述P電極層和所述N電極層上；以及
使用離子束蝕刻所述P電極層、N電極層和金屬層，并且由此在所述凹槽中形成層狀結(jié)構(gòu)，其中，所述層狀結(jié)構(gòu)中的一個(gè)具有包含所述P電極層和其深度小于λ/2n的金屬膜的疊層，并且所述層狀結(jié)構(gòu)的所述一個(gè)僅形成在所述溝槽的一個(gè)中，并且其中，所述層狀結(jié)構(gòu)中的另一個(gè)具有包含所述N電極層和其深度小于λ/2n的金屬膜的疊層，并且所述疊層的所述另一個(gè)僅形成在所述溝槽的另一個(gè)中，其中λ是入射光的波長(zhǎng)并且n是所述半導(dǎo)體層的折射率。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的用于制造光電二極管的方法，進(jìn)一步包括：
在其間具有間隙的金屬膜上堆疊感生表面等離子體的導(dǎo)電材料；以及
通過(guò)離子束蝕刻提供具有微小開(kāi)口的導(dǎo)電材料，其中，所述微小開(kāi)口設(shè)置在與夾在一對(duì)所述金屬膜之間的區(qū)域相對(duì)的位置。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的用于制造光電二極管的方法，其中，所述離子束包括氣體團(tuán)簇離子，所述氣體團(tuán)簇離子通過(guò)電離由原子或分子構(gòu)成的團(tuán)簇獲得。
46.一種在光接收部中包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管的光學(xué)通信設(shè)備。
47.一種在光接收部中包括根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管的光學(xué)通信設(shè)備。
48.一種在光接收部中包括根據(jù)權(quán)利要求19所述的光電二極管的光學(xué)通信設(shè)備。
49.一種光學(xué)互連模塊，包括：
硅襯底；
形成在所述硅襯底上的根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電二極管；以及
與所述光電二極管一起單片地形成在所述硅襯底上的LSI電子電路。
50.一種光學(xué)互連模塊，包括：
硅襯底；
形成在所述硅襯底上的根據(jù)權(quán)利要求17所述的光電二極管；以及
與所述光電二極管一起單片地形成在所述硅襯底上的LSI電子電路。
51.一種光學(xué)互連模塊，包括：
硅襯底；
形成在所述硅襯底上的根據(jù)權(quán)利要求19所述的光電二極管；以及
與所述光電二極管一起單片地形成在所述硅襯底上的LSI電子電路。

說(shuō)明書(shū)全文

光電二極管、用于制造這種光電二極管的方法、光學(xué)通信設(shè)

備和光學(xué)互連模塊

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明涉及在信息處理和通信領(lǐng)域中所需的用來(lái)將包括紅外線的光信號(hào)高速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電二極管。

背景技術(shù)

[0002] 從考慮成本和產(chǎn)量的觀點(diǎn)，利用硅電子技術(shù)的光學(xué)探測(cè)器的單片集成非常有吸引力。對(duì)于混合光電探測(cè)器例如連接到CMOS電路或GaAs電路的InGaAs光電二極管而言，與CMOS電路一起集成在芯片上的單片集成硅光電探測(cè)器，即硅光電二極管，是有吸引力的另一選擇。
[0003] 單片集成光電探測(cè)器可以利用普通的硅工藝制造并且預(yù)計(jì)以比混合設(shè)計(jì)更低的成本制造。
[0004] 光電二極管經(jīng)常被用作將光學(xué)信號(hào)高速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。其一個(gè)典型實(shí)例是pin型光電二極管。所述pin型光電二極管具有這樣的結(jié)構(gòu)：其中本征半導(dǎo)體的i層被插入p型半導(dǎo)體的p層和n型半導(dǎo)體的n層之間。當(dāng)反向偏置電壓從偏置電源施加到光電二極管時(shí)，基本上高電阻i層的整個(gè)區(qū)域變成沒(méi)有電荷載流子的耗盡層。入射光的光子主要被i層吸收并且產(chǎn)生電子/空穴對(duì)。在反向偏置電壓下，已經(jīng)產(chǎn)生的電子和空穴沿彼此相反的方向漂移通過(guò)耗盡層，產(chǎn)生電流，并且然后所述電流通過(guò)負(fù)載電阻器被檢測(cè)為信號(hào)電壓。限制光電轉(zhuǎn)換的響應(yīng)速度的主要因數(shù)包括定義為負(fù)載電阻和由耗盡層產(chǎn)生的電容的乘積的電路時(shí)間常數(shù)、以及電子和空穴通過(guò)耗盡層所需的載流子運(yùn)行時(shí)間。
[0005] 一類(lèi)具有短載流子運(yùn)行時(shí)間的光電二極管是肖特基型光電二極管。所述肖特基型光電二極管具有這樣的結(jié)構(gòu)：其中半透明的金屬膜與半導(dǎo)體的n層或n層接觸。在所述n層或n層與半透明的金屬膜彼此接觸的界面附近形成肖特基勢(shì)壘。因?yàn)殡娮訌陌胪该鞯慕饘倌ど⑸涞剿鰊層或n層中，所以肖特基勢(shì)壘附近的區(qū)域變成了耗盡層。當(dāng)入射光以該狀態(tài)發(fā)射時(shí)，電子在所述n層或n層中產(chǎn)生并且在反向偏置電壓下漂移通過(guò)耗盡層。此外，肖特基型光電二極管可以有效利用元件表面層上的光學(xué)吸收。雖然pin型光電二極管需要足夠厚度的i層或耗盡層以便吸收光子，但是肖特基光電二極管需要更薄的耗盡層并且因此減小了載流子運(yùn)行時(shí)間。此外，已經(jīng)研究橫向電極結(jié)構(gòu)以便減小pin型光電二極管的耗盡層的厚度并且由此減小電極之間的間隙，如非專(zhuān)利文獻(xiàn)1中所述。然而，由于半導(dǎo)體的表面層上的不良光學(xué)吸收效率，該結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)高靈敏度，盡管它提供了增強(qiáng)的響應(yīng)。
[0006] 另一方面，降低負(fù)載電阻值以縮短電路的時(shí)間常數(shù)使被檢測(cè)的再生信號(hào)的電壓減小。因此，必須減小耗盡層的電容以改善再生信號(hào)的SN比并且減小讀錯(cuò)誤。特別地，由于減小耗盡層的厚度以縮短載流子運(yùn)行時(shí)間使電容增加，所以必須減小耗盡層或肖特基結(jié)的面積以便增強(qiáng)響應(yīng)。然而，減小結(jié)面積是有問(wèn)題的，因?yàn)樗剐盘?hào)光的利用效率降低，其導(dǎo)致再生信號(hào)的SN比的降低。
[0007] 為解決這些問(wèn)題，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，通過(guò)利用金屬表面等離子體或光子晶體結(jié)構(gòu)，與目的在于實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)并且小型化該類(lèi)光電轉(zhuǎn)換設(shè)備的技術(shù)的最近發(fā)展一起，進(jìn)行了多種嘗試。
[0008] 例如，專(zhuān)利文獻(xiàn)1描述了利用具有設(shè)置在半導(dǎo)體的一個(gè)表面上的兩個(gè)電極的金屬/半導(dǎo)體/金屬(MSM)設(shè)備的光學(xué)探測(cè)器。所述MSM型光學(xué)探測(cè)器是一種通常在所述兩個(gè)電極附近具有肖特基勢(shì)壘的肖特基光電二極管。通過(guò)電極表面的光在半導(dǎo)體層中被部分吸收，產(chǎn)生光生載流子。所述MSM型光學(xué)探測(cè)器的缺點(diǎn)在于，為了增加量子效率而增加半導(dǎo)體的厚度使光生載流子的傳播距離增加，并且作為結(jié)果引起慢響應(yīng)。為防止慢響應(yīng)，專(zhuān)利文獻(xiàn)1中描述的光學(xué)探測(cè)器具有沿周期性布置的凸起和凹入部設(shè)置的金屬電極。入射光可以與金屬電極的表面等離子體有效耦合并且可以傳播進(jìn)入光學(xué)探測(cè)器。
[0009] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2描述一種方法，所述方法通過(guò)在半導(dǎo)體上形成金屬膜并且通過(guò)氧化金屬膜的一部分以形成光透射絕緣體圖案來(lái)制造MSM型光接收元件。
[0010] 專(zhuān)利文獻(xiàn)3描述通過(guò)將光透射絕緣體圖案減小到波長(zhǎng)或以下以便利用從位于所述光透射絕緣體圖案的兩側(cè)上的金屬膜的兩端產(chǎn)生的光學(xué)近場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)MSM型光接收元件的響應(yīng)。
[0011] 專(zhuān)利文獻(xiàn)4描述一種光電子耦合器，其中正電極和負(fù)電極以一定間隔設(shè)置在半導(dǎo)體上使得正電極和負(fù)電極彼此嵌套。該文獻(xiàn)描述通過(guò)利用這種設(shè)備結(jié)構(gòu)通過(guò)諧振使入射光、透射光、反射光和表面等離子體偏振子等彼此耦合的技術(shù)。該文獻(xiàn)描述，在此公開(kāi)的利用光電子耦合器技術(shù)的MSM型光接收元件能夠通過(guò)入射光和表面等離子體之間的耦合使由入射光產(chǎn)生的光生載流子增強(qiáng)。然而，這些光接收元件是有問(wèn)題的，因?yàn)闉榱藴p小耗盡層的電容而減小入射光的照射面積導(dǎo)致檢測(cè)到的信號(hào)的強(qiáng)度的降低以及SN比的降低。
[0012] 專(zhuān)利文獻(xiàn)5描述使用太陽(yáng)能的光電設(shè)備。在該光電設(shè)備中，插入多個(gè)具有pn結(jié)的球形半導(dǎo)體的兩個(gè)電極中的一個(gè)設(shè)置有周期性布置的開(kāi)口或凹入部。所述設(shè)備利用具有周期性圖案的電極上的表面等離子體與入射光之間的諧振。然而，該技術(shù)并沒(méi)有描述減小耗盡層的厚度和面積以便增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換的響應(yīng)。
[0013] 此外，專(zhuān)利文獻(xiàn)6描述了一種光傳輸儀器，即使僅設(shè)置了單個(gè)開(kāi)口，通過(guò)在開(kāi)口周?chē)O(shè)置周期性的凹槽陣列，與不具有周期性的凹槽陣列的情形相比，所述儀器能夠增強(qiáng)傳播光。然而，眾所周知，與入射光的能量相比，透射光的總能量被衰減了。根據(jù)文 獻(xiàn) (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 andapplications，”Nanotechnology，vol.13，pp.429-432，F(xiàn)igure4)，透過(guò)具有波長(zhǎng)的40％或更少的直徑的開(kāi)口的光的總能量被衰減到入射光能量的1％或更少。因此，即使來(lái)自該光傳輸儀器的傳播光照射到光接收元件上也不能得到高SN比。
[0014] 此外，專(zhuān)利文獻(xiàn)7描述具有光吸收層的MSM光接收元件結(jié)構(gòu)，所述光吸收層具有多層結(jié)構(gòu)以形成光子帶。通過(guò)降低吸收和透射的光的群速來(lái)減小物理吸收厚度，并且由此增加光接收效率。然而，該結(jié)構(gòu)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)MSM結(jié)的結(jié)面積減小以及作為結(jié)果而發(fā)生的元件電容的減小。
[0015] 非專(zhuān)利文獻(xiàn)1：S.J.KOESTER，G.Dehlinger，J.D.Schaub，J.O.Chu，Q.C.Ouyang，andA.Grill，“Germanium-on-Insulator Photodetectors”，2nd International Conference on Group4Photonics，F(xiàn)B12005，(p.172，圖3)
[0016] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1：日本專(zhuān)利申請(qǐng)特開(kāi)No.108376/84(p4-16，圖1-3)
[0017] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2：日本專(zhuān)利No.2666888(p3-4，圖2)
[0018] 專(zhuān)利文獻(xiàn)3：日本專(zhuān)利No.2705757(p6，圖1)
[0019] 專(zhuān)利文獻(xiàn)4：日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.509806/98(p26-33，圖1)
[0020] 專(zhuān)利文獻(xiàn)5：日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.2002-76410(p6-9，圖1)
[0021] 專(zhuān)利文獻(xiàn)6：日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.2000-171763(p7-10，圖10、圖17)[0022] 專(zhuān)利文獻(xiàn)7：日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.2005-150291(p5，圖1)
[0023] MSM光電二極管提供平面性和與硅LSI的兼容性。然而，使用Si或SiGe的光學(xué)探測(cè)器通常由于長(zhǎng)載流子壽命(～1到10μs)以及低的光學(xué)吸收率(～10到100/cm)而顯示出較慢的響應(yīng)。此外，在化合物半導(dǎo)體的情形下，肖特基勢(shì)壘型光電二極管提供高速響應(yīng)，但是因?yàn)榻饘匐姌O減小有效光接收面積并且降低靈敏度，所以存在問(wèn)題，。另一方面，在pin型光電二極管的情形下，橫向電極結(jié)構(gòu)被建議減小耗盡層的厚度。該結(jié)構(gòu)可以減小電極之間的距離以實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)，但是因?yàn)殡y以實(shí)現(xiàn)高靈敏度，所以存在問(wèn)題。
[0024] 增強(qiáng)光電二極管的響應(yīng)需要減小光吸收層的厚度以縮短載流子運(yùn)行時(shí)間以及減小光接收面積即結(jié)電容以減小電路的時(shí)間常數(shù)。因此，在光接收靈敏度和高速響應(yīng)之間通常存在折衷關(guān)系。
[0025] 此外，使用抗蝕劑掩模的剝離工藝通常被用來(lái)形成肖特基光電二極管的電極。然而，該工藝不利地易于引起設(shè)備制造過(guò)程中的產(chǎn)量降低，以及由剝離殘余物形成的電極之間的電短路。
[0026] 本發(fā)明目的在于提供實(shí)現(xiàn)光接收靈敏度和高速響應(yīng)的光電二極管的設(shè)備結(jié)構(gòu)。本發(fā)明目的也在于提供通過(guò)實(shí)現(xiàn)具有比現(xiàn)有技術(shù)小100倍或以下體積的光吸收層來(lái)實(shí)現(xiàn)高集成度和低功耗的光電二極管。此外，本發(fā)明的目的在于提供用來(lái)制造適于大量生產(chǎn)并且適于實(shí)現(xiàn)高集成度的光電二極管的方法。

發(fā)明內(nèi)容

[0027] 根據(jù)本發(fā)明的光電二極管包括半導(dǎo)體層和以間隔d設(shè)置在半導(dǎo)體層的表面上的一對(duì)金屬電極，該對(duì)金屬電極形成MSM結(jié)。間隔d滿(mǎn)足關(guān)系λ>d>λ/100，其中λ是入射光的波長(zhǎng)。該對(duì)金屬電極能夠感生表面等離子體，并且該對(duì)電極中的至少一個(gè)電極與半導(dǎo)體層形成肖特基結(jié)。該對(duì)金屬電極的下端嵌入半導(dǎo)體層中小于λ/2n的深度，其中n是半導(dǎo)體層的折射率。
[0028] 由于金屬電極以小于λ/2n的距離嵌入半導(dǎo)體層中，所以能夠通過(guò)產(chǎn)生表面等離子體諧振使最大光學(xué)近場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域?qū)?yīng)于用作光吸收層的半導(dǎo)體耗盡區(qū)，其中所述距離是光學(xué)近場(chǎng)從半導(dǎo)體層的表面透過(guò)的厚度。因此，即使在很薄的光吸收層的情形下也可以獲得高效靈敏度特性。此外，金屬電極之間的小距離d使得即使在低偏置電壓下也能夠?qū)崿F(xiàn)高速/高靈敏度操作。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，光電二極管包括：半導(dǎo)體層；以間隔d設(shè)置在半導(dǎo)體層的表面上的一對(duì)金屬電極；以及被設(shè)置得與半導(dǎo)體層的所述表面相對(duì)的半導(dǎo)體層的表面接觸的相對(duì)電極。間隔d滿(mǎn)足關(guān)系λ>d>λ/100，其中λ是入射光的波長(zhǎng)，并且該對(duì)金屬電極能夠感生表面等離子體，該對(duì)電極中的至少一個(gè)電極與半導(dǎo)體層形成肖特基結(jié)，并且該對(duì)金屬電極的下端嵌入半導(dǎo)體層中小于λ/2n的深度，其中n是半導(dǎo)體層的折射率。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的另一示范性實(shí)施例，光電二極管包括：半導(dǎo)體層；以一定間隔設(shè)置在半導(dǎo)體層中的一對(duì)p電極和n電極，該對(duì)p電極和n電極形成pin結(jié)；以及一對(duì)金屬膜，該對(duì)金屬膜以間隔d設(shè)置在半導(dǎo)體層的表面上，堆疊在p電極和n電極上。間隔d滿(mǎn)足關(guān)系λ>d>λ/100，其中λ是入射光的波長(zhǎng)，并且該對(duì)金屬電極能夠感生表面等離子體，該對(duì)電極中的至少一個(gè)電極與半導(dǎo)體層形成肖特基結(jié)，并且該對(duì)金屬電極的下端嵌入半導(dǎo)體層中小于λ/2n的深度，其中n是半導(dǎo)體層的折射率。
[0031] 光電二極管可以進(jìn)一步包括遠(yuǎn)離該對(duì)金屬電極的表面λ/2或以下的距離而設(shè)置2
的光限制結(jié)構(gòu)，其中所述光限制結(jié)構(gòu)將入射光限制在具有λ或以下的內(nèi)直徑或具有10μm或以下的面積的微小區(qū)域內(nèi)，所述微小區(qū)域與插入該對(duì)金屬電極之間的區(qū)域進(jìn)行光耦合。
[0032] 類(lèi)似地，光電二極管可以進(jìn)一步包括遠(yuǎn)離該對(duì)金屬膜的表面λ/2或以下的距離而設(shè)置的光限制結(jié)構(gòu)，其中所述光限制結(jié)構(gòu)將入射光限制在具有λ或以下的內(nèi)直徑或具2
有10μm 或以下的面積的微小區(qū)域內(nèi)，所述微小區(qū)域與插入該對(duì)金屬膜之間的區(qū)域進(jìn)行光耦合。
[0033] 用來(lái)制造本發(fā)明的光電二極管的方法包括步驟：通過(guò)蝕刻在半導(dǎo)體層的表面上以間隔d形成一對(duì)凹槽，所述半導(dǎo)體層形成在襯底上；在其上形成了凹槽的半導(dǎo)體層上堆疊金屬層；以及利用離子束蝕刻所述金屬層并且由此僅在凹槽中形成具有小于λ/2n的深度的金屬電極，其中λ是入射光的波長(zhǎng)并且n是半導(dǎo)體層的折射率。
[0034] 用來(lái)制造本發(fā)明的光電二極管的方法可以進(jìn)一步包括在其間具有間隙的金屬電極上堆疊感生表面等離子體的導(dǎo)電材料；以及通過(guò)離子束蝕刻提供具有微小開(kāi)口的導(dǎo)電材料，其中所述微小開(kāi)口設(shè)置在與插入一對(duì)金屬電極之間的區(qū)域相對(duì)的位置。
[0035] 本發(fā)明的光學(xué)通信設(shè)備在光接收部中包括上述光電二極管。
[0036] 本發(fā)明的光學(xué)互連模塊包括硅襯底，形成在所述硅襯底上的上述光電二極管以及與硅襯底上的所述光電二極管形成單片的LSI電子電路。
[0037] 木發(fā)明的效果
[0038] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高速和高效率的光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器能夠?qū)⒐鈱W(xué)能量集中在具有波長(zhǎng)大小的區(qū)域或比波長(zhǎng)小的區(qū)域內(nèi)，并且能夠?qū)⑺瞿芰坑行У剞D(zhuǎn)換成光生載流子以獲得電信號(hào)。此外，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了即使在高度集成的情形下也具有高產(chǎn)量和低成本的用于光電二極管的制造工藝。附圖說(shuō)明
[0039] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一示范性實(shí)施例的光電二極管的橫截面圖；
[0040] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二示范性實(shí)施例的光電二極管的橫截面圖；
[0041] 圖3是表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)的平面圖；
[0042] 圖4是設(shè)置有金屬突起的表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)的平面圖；
[0043] 圖5是設(shè)置有表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)的光電二極管的示意圖；
[0044] 圖6是光子晶體線缺陷波導(dǎo)的平面圖；
[0045] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)例的MSM光電二極管的橫截面圖；
[0046] 圖8是圖7中所示的MSM光電二極管的平面圖；
[0047] 圖9是示出圖7中所示的光電二極管的靈敏度特性的曲線圖；
[0048] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)例的光電二極管的橫截面圖；
[0049] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)例的光電二極管的橫截面圖；
[0050] 圖12是表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)的配置的示意圖；
[0051] 圖13是示出具有光柵的MSM光電二極管與沒(méi)有光柵的MSM光電二極管之間的靈敏度特性的比較的曲線圖；
[0052] 圖14是示出用來(lái)制造本發(fā)明的光電二極管的示范性方法的橫截面圖；
[0053] 圖15是設(shè)置有微小突出的光限制結(jié)構(gòu)的概念圖；
[0054] 圖16是根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)例的光電二極管的橫截面圖；
[0055] 圖17是示出使用線缺陷型光子晶體光波導(dǎo)的另一個(gè)光電二極管結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0056] 圖18是示出圖17中所示的光電二極管靈敏度特性的曲線圖；
[0057] 圖19是根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)例的光電二極管的橫截面圖；
[0058] 圖20是示出用來(lái)制造圖19中所示的光電二極管的光波導(dǎo)的方法的橫截面圖；
[0059] 圖21是示出圖19中所示的光電二極管靈敏度特性的曲線圖；
[0060] 圖22是根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)例的光電二極管的橫截面圖；
[0061] 圖23是其上安裝了根據(jù)本發(fā)明的光電二極管的用于40Gbps傳輸?shù)墓饨邮漳K的橫截面示意圖；以及
[0062] 圖24是其上安裝了根據(jù)本發(fā)明的光電二極管的LSI芯片間光學(xué)互連模塊的橫截面示意圖。
[0063] 符號(hào)說(shuō)明
[0064] 1 半導(dǎo)體層
[0065] 2 金屬電極
[0066] 3 嵌入式氧化物層
[0067] 4 保護(hù)層
[0068] 5 負(fù)載電阻器
[0069] 6 偏置電源
[0070] 7 氧化物膜
[0071] 8 基底襯底
[0072] 9 P電極
[0073] 10 N電極
[0074] 11 金屬膜
[0075] 12 金屬膜
[0076] 13 凸起/凹入部
[0077] 14 微小開(kāi)口
[0078] 15 金屬突起
[0079] 16 表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)
[0080] 17 高介電常數(shù)介質(zhì)
[0081] 18 孔
[0082] 19 線缺陷部分
[0083] 20 光子晶體線缺陷光波導(dǎo)
[0084] 21 電極極板
[0085] 22 肖特基電極
[0086] 23 相對(duì)電極層
[0087] 24 Ge選擇性生長(zhǎng)層
[0088] 25 緩沖層
[0089] 26 光波導(dǎo)芯
[0090] 27 包層
[0091] 28 SOI層
[0092] 29 SiON芯層
[0093] 30 環(huán)型光學(xué)諧振器
[0094] 31 光波導(dǎo)芯
[0095] 32 光學(xué)纖維
[0096] 33 信號(hào)光
[0097] 34 光電二極管
[0098] 35 模塊外殼
[0099] 36 電配線
[0100] 37 前置放大器IC
[0101] 38 芯片載體
[0102] 39 VCSEL光源
[0103] 40 用于光源和調(diào)制的電配線通路孔
[0104] 41 用于光電二極管的電配線通路孔
[0105] 42 LSI
[0106] 43 用于光源調(diào)制的電配線層
[0107] 44 用于光電二極管的電配線層
[0108] 45 光信號(hào)輸出纖維
[0109] 46 光信號(hào)輸入纖維
[0110] 47 LSI安裝板
[0111] 48 凹鏡
[0112] 49 光電二極管/光源安裝板
[0113] 51 第一金屬膜
[0114] 52 第二金屬膜

具體實(shí)施方式

[0115] 本發(fā)明的光電二極管是設(shè)置有以間隔d布置在半導(dǎo)體表面上的MSM(金屬-半導(dǎo)體-金屬)結(jié)的光電二極管或者是設(shè)置有以一定間隔形成在半導(dǎo)體表面上的pin結(jié)和以間隔d堆疊在其上的金屬膜的光電二極管。間隔d小于入射光的光波長(zhǎng)λ并且大于光波長(zhǎng)λ的1/100。用于所述MSM結(jié)或用于所述pin結(jié)的金屬膜由能夠感生表面等離子體的導(dǎo)電材料制成，并且其下端位于嵌入半導(dǎo)體中的且從所述半導(dǎo)體表面測(cè)量小于λ/2n的距離的位置處，其中n是所述半導(dǎo)體層的折射率。此外，用來(lái)將光限制在光波長(zhǎng)λ或以下的區(qū)域2
內(nèi)或在10μm 或以下的區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)被設(shè)置得遠(yuǎn)離MSM結(jié)或pin結(jié)中使用的金屬膜的表面λ/2或以下的距離，并且所述結(jié)構(gòu)與MSM光電二極管或pin光電二極管光耦合。在此，上述區(qū)域表示半導(dǎo)體層的表面上的光斑點(diǎn)尺寸。
[0116] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一示范性實(shí)施例的光電二極管的橫截面圖。嵌入的氧化物層3形成在基底襯底8上，并且作為光吸收層的半導(dǎo)體層1形成在氧化物層3上。半導(dǎo)體層1被氧化物膜7圍繞。金屬電極2形成在半導(dǎo)體層1的表面上。以小于入射光的波長(zhǎng)λ的間隔d設(shè)置一對(duì)金屬電極2，形成MSM結(jié)。金屬電極2嵌入半導(dǎo)體層1中小于λ/2n的距離f，其中n是半導(dǎo)體層1的折射率。金屬電極2由與半導(dǎo)體層1形成肖特基結(jié)的第一金屬膜51和由能夠感生表面等離子體的導(dǎo)電材料制成的第二金屬膜52構(gòu)成。然而，第一金屬膜51和第二金屬膜52也可以由一種金屬形成。在該情形下，金屬電極2具有一層結(jié)構(gòu)。
[0117] 傳統(tǒng)地，形成在半導(dǎo)體層的表面上的金屬電極覆蓋光電二極管的光接收表面，引起光接收靈敏度的降低的問(wèn)題。即使在選擇感生表面等離子體諧振的電極間隔時(shí)，因?yàn)槭艿礁吖鈱W(xué)電場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域在半導(dǎo)體的外部，所以不利的是不能有效地產(chǎn)生光生載流子。相反，通過(guò)將金屬電極嵌入半導(dǎo)體層中從半導(dǎo)體層的表面測(cè)量小于λ/2n的距離，所述λ/2n的距離是光學(xué)近場(chǎng)可以透過(guò)的距離，并且通過(guò)經(jīng)過(guò)TM波的輻射感生等離子體振子諧振，具有最大光學(xué)電場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域和用作光吸收層的半導(dǎo)體耗盡層區(qū)域可以一致。因此，即使很薄的光吸收層也可以提供高效靈敏度特性。
[0118] 此外，當(dāng)在摻雜濃度介于1015和1016cm-3范圍中的條件下在金屬和半導(dǎo)體之間形成肖特基結(jié)時(shí)，即使在零偏置下，具有200nm或以上的寬度的耗盡層區(qū)域被形成。因此，電極之間的距離的減小使得即使在低偏置電壓下也能實(shí)現(xiàn)光電二極管的高速和高靈敏操作。
[0119] 如果半導(dǎo)體層1的厚度被設(shè)置為200nm或以下，則即使在例如是Si的其光生載流7
子遷移率為大約10cm/s的半導(dǎo)體材料情形下，光生載流子所需的在電極之間的漂移時(shí)間估計(jì)為幾ps。即使在半導(dǎo)體層1的厚度被設(shè)置為1μm或以下時(shí)，所述漂移時(shí)間可以被減小到20ps或以下。此外，當(dāng)金屬電極2之間的距離d被設(shè)置為大約100nm時(shí)，可以通過(guò)將
2
MSM結(jié)面積設(shè)置為10μm 或以下來(lái)確保等于或小于10fF的結(jié)電容，并且可以通過(guò)將MSM結(jié)
2
面積設(shè)置為100μm 或以下來(lái)確保等于或小于100fF的結(jié)電容。因此，假設(shè)負(fù)載電阻器為
50Ω，電路的時(shí)間常數(shù)分別變成1ps和10ps。這樣，實(shí)現(xiàn)了很高速的響應(yīng)。應(yīng)當(dāng)注意的是，在MSM結(jié)情形下的結(jié)面積表示從所述多個(gè)MSM電極的一端到其另一端測(cè)量的面積。在具有本發(fā)明中的橫向pin結(jié)構(gòu)的pin結(jié)的情形下，結(jié)面積表示從所述多個(gè)p和n電極的一端到其另一端測(cè)量的面積。
[0120] 本發(fā)明也適用于這種情形：其中一個(gè)金屬-半導(dǎo)體結(jié)由肖特基勢(shì)壘型結(jié)制成并且另一個(gè)金屬-半導(dǎo)體結(jié)由歐姆結(jié)制成。也在該情形中，如果間隔d被形成得小于光波長(zhǎng)λ，并且如果由能夠感生表面等離子體的導(dǎo)電材料制成的電極被嵌入半導(dǎo)體中小于λ/2n的距離，則可以獲得實(shí)現(xiàn)了高效率和改善的響應(yīng)的光電二極管特性。同樣適用于這種結(jié)構(gòu)：其中肖特基結(jié)以一定間隔設(shè)置在半導(dǎo)體表面上，并且相對(duì)電極通過(guò)用作光吸收層的耗盡層形成在襯底的側(cè)上。
[0121] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二示范性實(shí)施例的光電二極管的橫截面圖。在半導(dǎo)體層1中，以預(yù)定的間隔設(shè)置D電極9和n電極10，形成pin結(jié)。由能夠感生表面等離子體的導(dǎo)電材料制成的金屬膜11形成在D電極9和n電極10上使得金屬膜11暴露在半導(dǎo)體層1的表面上。堆疊在p電極9或n電極10上的金屬膜11的間隔d小于入射光的波長(zhǎng)λ并且大于λ的1/100。金屬膜11以距離f嵌入半導(dǎo)體層1中，所述距離f從半導(dǎo)體層1的表面測(cè)量小于λ/2n，其中n是半導(dǎo)體層1的折射率。
[0122] 以從半導(dǎo)體層1的表面測(cè)量小于λ/2n的距離f嵌入半導(dǎo)體層中的金屬膜11也可以在應(yīng)用于具有如圖2中所示的橫向電極結(jié)構(gòu)的pin光電二極管時(shí)通過(guò)表面等離子體將光學(xué)能量限制在插入半導(dǎo)體層1的p電極9和n電極10之間的區(qū)域之內(nèi)，產(chǎn)生局部加強(qiáng)的光學(xué)電場(chǎng)分布。據(jù)按照傳統(tǒng)的報(bào)告，具有橫向電極結(jié)構(gòu)的pin光電二極管的電極之間的距離的減小導(dǎo)致增強(qiáng)的響應(yīng)。另一方面，根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)一步通過(guò)在p電極9和n電極10上堆疊能夠感生表面等離子體的金屬膜11并且通過(guò)以從用作光吸收層的半導(dǎo)體層1的表面測(cè)量小于λ/2n的距離f嵌入金屬膜11，可以獲得具有高速響應(yīng)和高效靈敏度特性的光電二極管。此外，能夠感生表面等離子體的導(dǎo)電材料通常由具有高導(dǎo)電率的材料制成。這大大有助于小型化光電二極管在高頻區(qū)的阻抗的減小。因此，可以獲得在高頻區(qū)實(shí)現(xiàn)高速/高靈敏度和高SN比的光電二極管。
[0123] 圖3是起光限制結(jié)構(gòu)的作用的表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)的平面圖，所述光限制結(jié)構(gòu)將入射光限制在等于或小于光波長(zhǎng)的尺寸(內(nèi)直徑)內(nèi)。通常，在形成在金屬膜中的、具有等于或小于波長(zhǎng)的尺寸的微小開(kāi)口中沒(méi)有光傳播模式存在。因此，入射光的傳輸效率非常小。另一方面，通過(guò)在形成在金屬膜12中的微小開(kāi)口14的周?chē)O(shè)置周期性的凸起/凹入部13，所述金屬膜12是導(dǎo)電膜，如圖3中所示，入射光可以與在金屬膜12的表面上感生的表面等離子體耦合，并且光學(xué)能量可以以農(nóng)面等離子體的形式被集中在微小開(kāi)口14內(nèi)，并且因此可以大大增強(qiáng)透射光。該效果被稱(chēng)為“表面等離子體增強(qiáng)效應(yīng)”?！爸芷谛缘摹北硎就蛊鸩亢桶既氩拷惶娌⑶彝牡胤植荚谖⑿￠_(kāi)口14的周?chē)?/div>
[0124] 在金屬膜12的表面上產(chǎn)生的表面等離子體的集中通過(guò)微小開(kāi)口14在微小開(kāi)口14的發(fā)光側(cè)引起強(qiáng)烈的近場(chǎng)。通過(guò)集中在光入射側(cè)的表面等離子體的散射，引起的近場(chǎng)產(chǎn)生在微小開(kāi)口14的邊緣。表面等離子體包括作為近場(chǎng)局部存在的成分和被散射并且被轉(zhuǎn)變成傳播光的成分。
[0125] 通過(guò)下列公式1表示表面等離子體的色散關(guān)系。
[0126] [公式1]
[0127]
[0128] 其中∈m和∈d分別是產(chǎn)生表面等離子體的金屬的介電常數(shù)和鄰近所述金屬的電介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0129] 此外，表面等離子體的傳播距離通過(guò)下列公式2表示。
[0130] [公式2]
[0131] LSPP＝c/ω((εm＇+Ed)/εm＇)3/2·εm＇2/εm|＂
[0132] 其中金屬的復(fù)數(shù)介電常數(shù)∈m被表示為∈m＇+i∈m″。
[0133] 因此，表面等離子體的光學(xué)損耗很大程度上取決于金屬膜的介電常數(shù)的虛部與實(shí)部的平方的比。金屬膜12優(yōu)選由鋁、銀、金或銅或由元素鋁、銀、金和銅中的兩個(gè)或以上構(gòu)成的合金層構(gòu)成。此外，減小任意設(shè)置在金屬表面的凸起和凹入部的尺寸大大地有助于減小表面等離子體的傳播損耗。因此，使用Ta、Cr、Ti、Zr等作為晶種層或增加微量元素例如Nb到金屬膜12以形成其合金也是有效的。
[0134] 此外，在微小開(kāi)口14中形成至少一個(gè)金屬突起允許表面等離子體激發(fā)偶極諧振，允許更強(qiáng)的光學(xué)近場(chǎng)從微小開(kāi)口14的出口發(fā)出。如圖4中所示，具有至少一對(duì)彼此相對(duì)的金屬突起15的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了較小區(qū)域中的光學(xué)近場(chǎng)。
[0135] 根據(jù)與考慮表面等離子體的光學(xué)損耗的觀點(diǎn)相同的觀點(diǎn)，這種旨在產(chǎn)生局部等離子體振子諧振的金屬突起15優(yōu)選由鋁、銀、金或銅構(gòu)成?？商鎿Q地，金屬突起15也可以是包括元素鋁、銀、金和銅中的兩個(gè)或以上的合金層。
[0136] 圖5是設(shè)置有表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)的光電二極管的示意圖，其中(a)和(b)分別示出平面圖和橫截面圖。金屬電極2以等于或小于λ/2的距離g形成在遠(yuǎn)離微小開(kāi)口14的出口的位置處，并且與微小開(kāi)口14光耦合。因此，在微小開(kāi)口14的出口處的近場(chǎng)成分和傳播光成分可以以等離子體振子的形式被局限在半導(dǎo)體層1的表面上的等于或小于波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)。
[0137] 至于由表面等離子體產(chǎn)生的光學(xué)近場(chǎng)的強(qiáng)度分布，所述強(qiáng)度和透過(guò)范圍隨MSM電極的布置效果、半導(dǎo)體層的折射率和半導(dǎo)體層的吸收系數(shù)而變化。該變化能夠使電子/空穴對(duì)(光生載流子)產(chǎn)生在半導(dǎo)體層的非常小的區(qū)域中。因此，能夠使由MSM電極形成的半導(dǎo)體層中的耗盡區(qū)與其中光生載流子由近場(chǎng)產(chǎn)生的區(qū)域一致。因此，可以實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效形成和光生載流子的局部傳播并且可以獲得具有高量子效率和高速響應(yīng)特性的2
光電二極管。此外，產(chǎn)生并且掃描光生載流子的金屬電極的結(jié)區(qū)可以被設(shè)置為10μm 或以下的尺寸。結(jié)果，能夠?qū)⒔Y(jié)電容減小到極小的水平。因此，工作在高頻的光電二極管的電路的時(shí)間常數(shù)可以被設(shè)置為幾皮秒或以下，并且實(shí)現(xiàn)了在幾十GHz以上的高頻工作。
[0138] 為了將光限制在等于或小于光波長(zhǎng)的尺寸(內(nèi)直徑)內(nèi)，使用二維光子晶體也是有效的。二維光子結(jié)晶體具有這樣的結(jié)構(gòu)：其中具有微小直徑的光子晶體孔以交錯(cuò)排列型式或晶格型式設(shè)置在具有高介電常數(shù)的介質(zhì)中。半導(dǎo)體(大部分半導(dǎo)體具有大約12的特定介電常數(shù))通常被用于高介電常數(shù)介質(zhì)。例如在“Photonic crystals，Modeling theFlow of Light”第125頁(yè)到126頁(yè)(“J.D.Joannopoulos，R.D.Meade andJ.N.Winn，Princeton University Press”第125頁(yè)到126頁(yè))中公開(kāi)了在二維交錯(cuò)排列型光子晶體的情形下能夠?qū)崿F(xiàn)光子帶隙的孔間距(晶格常數(shù))和孔直徑的組合的粗略估計(jì)。假定孔的半徑是r，光子晶體的圓孔的間距是a，光的角頻率是ω以及真空中的光速為c，并且假定其中光子晶體中的圓孔以交錯(cuò)排列型式設(shè)置在具有11.4的介電常數(shù)的電介質(zhì)襯底上的情形，當(dāng)(r/a)為0.48并且{(ω×a)/(2π×c)}為大約0.5時(shí)光子帶隙出現(xiàn)，不考慮電場(chǎng)的振動(dòng)方向或孔延伸的方向。
[0139] 圖6是通過(guò)利用二維交錯(cuò)排列型光子晶體結(jié)構(gòu)制造的光子晶體線缺陷波導(dǎo)的平面圖。通過(guò)設(shè)置彼此鄰近的兩個(gè)二維交錯(cuò)排列型光子晶體結(jié)構(gòu)形成光子晶體線缺陷光波導(dǎo)20。大量的孔18以交錯(cuò)排列型式設(shè)置在高介電常數(shù)介質(zhì)17中。其中沒(méi)有形成孔的一列，即線缺陷部分19形成在大量的孔18的中間區(qū)域。因此，阻止具有在光子帶隙之內(nèi)的角頻率的光傳播通過(guò)完整晶體截面，所述完整晶體截面是除了線缺陷部分19之外的截面，但是所述光被允許傳播通過(guò)線缺陷部分19。這表示線缺陷部分19起光波導(dǎo)的作用，所述光波導(dǎo)將光電場(chǎng)分布限制在等于或小于波長(zhǎng)的尺寸內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，MSM光電二極管被設(shè)置得以光波長(zhǎng)的一半或以下的距離接近這種在限制光方面具有高性能的光波導(dǎo)。因此，實(shí)現(xiàn)了在很有限的區(qū)域中的光耦合，并且因此實(shí)現(xiàn)了高靈敏度和高速。
[0140] 為了將光限制在等于或小于波長(zhǎng)或者等于或小于10μm2的尺寸內(nèi)，也能夠使用在芯和包層之間的折射率具有5％和以上的差別的光波導(dǎo)。這種通道型光波導(dǎo)具有這樣的結(jié)構(gòu)：其中芯被具有比芯小的折射率的介質(zhì)包圍，并且眾所周知的是，光傳播同時(shí)重復(fù)由芯和包層之間的折射率的差引起的全反射。在該情形下，如果芯和包層之間的折射率的差大，則光被緊密地限制在芯內(nèi)，并且即使在所述波導(dǎo)以小曲率急劇彎曲時(shí)，光也會(huì)沿所述波導(dǎo)被引導(dǎo)。5％或以上的折射率差可以實(shí)現(xiàn)10μm或以下的光斑點(diǎn)直徑。此外，通過(guò)將芯和包層之間的折射率的差設(shè)置為大約10％到40％，可以實(shí)現(xiàn)等于或小于波長(zhǎng)的光斑點(diǎn)直徑。應(yīng)當(dāng)注意的是，光波導(dǎo)可以由介電材料、有機(jī)化合物或半導(dǎo)體材料制成。
[0141] 如果波導(dǎo)芯由半導(dǎo)體例如Si等制成，并且如果波導(dǎo)芯具有3.4的折射率以及大約0.3μm×0.3μm的橫截面，并且如果芯被由具有大約1.5的折射率的SiO2制成的包層覆蓋，則光的模式尺寸可以基本上被減小到波導(dǎo)芯的尺寸。當(dāng)被引導(dǎo)的光具有大約850nm的波長(zhǎng)時(shí)，由于光學(xué)吸收而產(chǎn)生波導(dǎo)損耗。然而，可以通過(guò)由SiON等形成波導(dǎo)芯并且通過(guò)利用由SiO2制成的包層覆蓋所述波導(dǎo)芯來(lái)獲得5％或以上的折射率差，所述波導(dǎo)芯表現(xiàn)出在寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)可以忽略的波導(dǎo)損耗的透光特性。在該情形下，與其中使用半導(dǎo)體芯的情形相比，光限制性能被相對(duì)減弱了，并且獲得了大約1到4μm的光斑點(diǎn)直徑。
[0142] 通過(guò)將MSM光電二極管設(shè)置得以光波長(zhǎng)的一半或以下的距離接近這種在限制光方面具有高性能的光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了在很有限的區(qū)域中的光耦合，并且因此實(shí)現(xiàn)了高靈敏度和高速。
[0143] 當(dāng)這種在限制光方面具有高性能的光子晶體型光波導(dǎo)或通道型光波導(dǎo)與MSM光電二極管耦合時(shí)，即使當(dāng)波導(dǎo)的端表面被傾斜地切割和彎曲或被放置在鄰近的橫側(cè)使得被引導(dǎo)的光從垂直于MSM結(jié)的方向入射到MSM結(jié)上時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)充分的光耦合。在該情形下，光傳播模式優(yōu)選設(shè)置在與MSM光電二極管的光吸收層基本相同的高度。
[0144] 此外，通過(guò)設(shè)置在限制光方面具有高性能的通道型光波導(dǎo)的環(huán)形結(jié)構(gòu)以便形成諧振器結(jié)構(gòu)，可以減小被引導(dǎo)的光的群速。通過(guò)遠(yuǎn)離波導(dǎo)光波長(zhǎng)的一半或以下地設(shè)置MSM結(jié)，可以更有效地將光能轉(zhuǎn)換成光電流。在該情形下，優(yōu)選將環(huán)型光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)置在MSM光電二極管上或其橫側(cè)上用于光耦合。
[0145] 可以在金屬電極和光限制結(jié)構(gòu)之間設(shè)置用作光耦合介質(zhì)的介電膜。
[0146] 為了形成使用MSM結(jié)的肖特基勢(shì)壘型光電二極管的金屬電極2或在橫向pin結(jié)上形成電極9、10和金屬膜11，優(yōu)選使用氣體團(tuán)簇離子束。當(dāng)微小開(kāi)口14形成在表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)中時(shí)同樣適用。氣體團(tuán)簇離子束是通過(guò)離子化Ar或活性氣體并且將它聚集為由幾百到幾千個(gè)原子或分子構(gòu)成的團(tuán)簇所獲得的束。利用氣體團(tuán)簇離子束代替使用抗蝕劑膜的剝離工藝改善處理精度，由此實(shí)現(xiàn)了比使用離子束蝕刻的工藝引起更少的損傷的工作過(guò)程。由蝕刻產(chǎn)生的金屬殘?jiān)会尫诺秸婵栈蛘匙】刮g劑掩模的側(cè)壁。因此能夠同時(shí)和抗蝕劑一起地有效除去所述殘?jiān)?。因此，?dāng)應(yīng)用于LSI工藝時(shí)，氣體團(tuán)簇離子束改善了高集成工藝的產(chǎn)量并且以低成本提供設(shè)備。
[0147] 在本發(fā)明中使用的光波長(zhǎng)在包括可見(jiàn)光、近紅外光和紅外光的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化。然而，通過(guò)調(diào)整感生表面等離子體諧振的金屬周期結(jié)構(gòu)的尺寸、有效限制和傳輸光的光子晶體光波導(dǎo)、通道型光波導(dǎo)和環(huán)形光波導(dǎo)以及MSM電極的尺寸，可以獲得用于獲得電信號(hào)的高速光電探測(cè)器，所述電信號(hào)在等于或小于所述波長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有效地產(chǎn)生光生載流子。
[0148] 接著，將參考附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)例。
[0149] [實(shí)例1]
[0150] 圖7和8分別是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)例的MSM光電二極管的橫截面圖和平面圖。MSM型光電二極管形成金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)結(jié)，例如SOI(絕緣體上硅)，所述金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)結(jié)形成在具有絕緣表面的半導(dǎo)體層1的一部分上。金屬電極2之間的間隔d小于入射光的波長(zhǎng)λ并且大于1/100λ。假定n是半導(dǎo)體層1的折射率，金屬電極
2以從半導(dǎo)體層1的表面測(cè)量小于λ/2n的距離f嵌入半導(dǎo)體層1中。為了感生表面等離子體，優(yōu)選用鋁、銀、金或銅或由元素鋁、銀、金和銅中的兩個(gè)或以上構(gòu)成的合金來(lái)做金屬電極2(或至少第二金屬膜52)。為了形成肖特基結(jié)，也可以使用由Cr、Ta、Ni等制成的籽晶膜(seed film)。此外，為了形成歐姆結(jié)，由Ti等制成的籽晶膜可以被用作相對(duì)電極膜。由SiO2等制成的保護(hù)層4也可以形成在金屬電極2上并且可以被用作光學(xué)抗反射膜。
[0151] 圖9示出其中具有30nm厚度的Ag電極在不嵌入的情況下形成在Si半導(dǎo)體的表面上的情形與其中電極以從半導(dǎo)體的表面測(cè)量小于λ/2n的距離被嵌入的情形之間的靈敏度特性的比較。形成MSM結(jié)的金屬電極的寬度和電極之間的間隙都被設(shè)置為100nm，并且金屬電極的嵌入深度被設(shè)置為30nm。由于根據(jù)電磁場(chǎng)計(jì)算表面等離子體的諧振波長(zhǎng)被估算為850nm，為了觀察光電流，輻射具有850nm的波長(zhǎng)和1mW功率的激光。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，其中Ag電極嵌入Si半導(dǎo)體中的配置提供增加100倍或100倍以上的光電流，并且在該情形下量子效率估計(jì)是大約30％。
[0152] [實(shí)例2]
[0153] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)例的光電二極管的橫截面圖。在半導(dǎo)體層1的表面上以間隔d設(shè)置形成肖特基結(jié)的肖特基電極22。肖特基電極22由能夠感生表面等離子體的導(dǎo)電材料制成。相對(duì)電極層23通過(guò)用作光吸收層的耗盡層(半導(dǎo)體層1)形成在基底襯底8的側(cè)上。肖特基電極22的間隔d小于光波長(zhǎng)λ。假定n是半導(dǎo)體層1的折射率，肖特基電極22以小于λ/2n的距離f嵌入半導(dǎo)體層1中。
[0154] 包括摻雜劑例如P、具有1×1020cm-3或以上的摻雜劑濃度的n+-Si層可以用作相對(duì)電極層23并且用作光吸收層的n-Si層可以用作半導(dǎo)體層1。半導(dǎo)體層1需要在相對(duì)電極層23上的外延生長(zhǎng)。然而，如果生長(zhǎng)溫度超過(guò)800℃，則光吸收層中的摻雜劑濃度由于摻雜劑元素的熱擴(kuò)散而增加，導(dǎo)致在形成肖特基結(jié)時(shí)耗盡電壓的增加以及耗盡層厚度的減小。結(jié)果，低電壓和高速操作變得困難。因此，為了在n+-Si層上形成薄的光吸收層，需要用來(lái)在600℃或以下的低溫執(zhí)行外延生長(zhǎng)的技術(shù)。
[0155] 不僅可以在電極之間的水平方向而且可以在電極下面產(chǎn)生通過(guò)表面等離子體諧振增強(qiáng)光電場(chǎng)的效果。該實(shí)例被如此設(shè)計(jì)使得通過(guò)表面等離子體的光電場(chǎng)的增強(qiáng)出現(xiàn)在電極下面的肖特基結(jié)界面上，并且從而其中產(chǎn)生光生載流子的區(qū)域與其中由于施加偏置電壓而出現(xiàn)耗盡的區(qū)域一致。
[0156] [實(shí)例3]
[0157] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)例的光電二極管的橫截面圖。其中金屬膜11沉積在p電極9或n電極10上的疊層被設(shè)置在半導(dǎo)體層1的表面上，形成至少一個(gè)p-i-n結(jié)。沉積在p電極9或n電極10上的金屬膜11的間隔d被設(shè)計(jì)得小于入射光的波長(zhǎng)λ并且大于1/100λ。金屬膜11由能夠感生表面等離子體的導(dǎo)電材料制成并且金屬膜11以從半導(dǎo)體層1的表面測(cè)量小于λ/2n的距離f被嵌入半導(dǎo)體層1中，其中n是半導(dǎo)體層1的折射率。為了感生表面等離子體，金屬膜11優(yōu)選由鋁、銀、金或銅或由元素鋁、銀、金和銅中的兩個(gè)或以上構(gòu)成的合金構(gòu)成。
[0158] 為了制造本實(shí)例的光電二極管，首先，通過(guò)利用C4F8和SF6的反應(yīng)性腐蝕以小于光波長(zhǎng)λ的間隔在SOI(絕緣體上硅)上形成溝槽結(jié)構(gòu)。接著，通過(guò)有機(jī)金屬氣相外延方法在溝槽結(jié)構(gòu)中選擇性地生長(zhǎng)p型和n型多晶硅層。在溝槽結(jié)構(gòu)的一半處停止選擇性生長(zhǎng)并且然后通過(guò)由Ti等構(gòu)成的改善對(duì)多晶硅層的粘附的籽晶層堆疊鋁、金、銀或銅等能夠感生表面等離子體的導(dǎo)電材料。為了限制暗電流，可以在導(dǎo)電材料和用作光吸收層的i層(半導(dǎo)體層1)之間插入由SiO2等構(gòu)成的具有幾nm厚度的絕緣層。即使在Si光電二極管的情形下，也可以通過(guò)使由于表面等離子體的光學(xué)近場(chǎng)的增強(qiáng)發(fā)生在i層中來(lái)達(dá)到50％或以上的量子效率，所述i層用作光吸收層并且被插在金屬電極之間。此外，在其中Ge層被生長(zhǎng)作為吸收層的光電二極管的情形下可以達(dá)到90％或以上的量子效率。
[0159] [實(shí)例4]
[0160] 作為本發(fā)明的第四實(shí)例，將描述與上述MSM結(jié)結(jié)合的表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)。圖12是示出起光限制結(jié)構(gòu)作用的表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)的配置的示意圖，其中(a)是平面圖并且(b)是橫截面圖。表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)16具有由Ag等構(gòu)成的金屬膜12，所述諧振結(jié)構(gòu)16包括感生表面等離子體諧振的光柵配置(凸起/凹入部13)和形成在其中心的具有λ或以下的直徑的微小開(kāi)口14。表面等離子體諧振結(jié)構(gòu)16被設(shè)置得遠(yuǎn)離MSM結(jié)λ/2或以下的距離并且將入射光限制在等于或小于所述波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)。光柵結(jié)構(gòu)的周期被如此設(shè)置使得對(duì)于入射光的波長(zhǎng)出現(xiàn)等離子體振子諧振。除了圖12(b)中所示的矩形橫截面之外，所述光柵可以具有三角形形狀或正弦形狀等。與矩形橫截面相比，這些形狀將諧振波長(zhǎng)改變到更短的一側(cè)。可替換地，可以使用通過(guò)周期性設(shè)置兩種或兩種以上介電函數(shù)彼此不同的介質(zhì)獲得的多層結(jié)構(gòu)來(lái)代替所述光柵配置。
[0161] 圖13示出具有感生表面等離子體諧振的光柵配置的MSM光電二極管和沒(méi)有這種光柵配置的MSM光電二極管之間的靈敏度特性的比較。入射光的波長(zhǎng)是840nm并且功率是1mW。通過(guò)形成光柵結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)光電流增加百倍或百倍以上并且實(shí)現(xiàn)50％或以上的量子效率。
[0162] (制造方法)
[0163] 接著，將利用第一和第四實(shí)例作為實(shí)例解釋用來(lái)制造上述光電二極管的方法。圖14是示出用來(lái)制造本發(fā)明的光電二極管的工藝的橫截面圖。
[0164] 首先，準(zhǔn)備圖14(a)中所示的n摻雜的SOI襯底。特別地，在Si基底襯底8上形15
成嵌入式氧化物層3?；滓r底8的電阻率是大約1到10Ω·cm，并且摻雜濃度是大約10
16 -3
到10 cm 。
[0165] 接著，通過(guò)利用SiNx膜作為掩模61的反應(yīng)性腐蝕使n型SOI層(半導(dǎo)體層1)經(jīng)受圖案化并且結(jié)尺寸被限定，如圖14(b)中所示。C4F8和SF6氣體的混合物被用作反應(yīng)氣體。然后，在1000℃實(shí)施氣相中的熱處理大約140分鐘以形成將成為用來(lái)制造MSM結(jié)的基底結(jié)構(gòu)的臺(tái)面結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體層1的各側(cè)被氧化物膜7覆蓋。
[0166] 接著，通過(guò)將掩模61放置在大約130℃的熱磷酸中大約一小時(shí)來(lái)去除掩模61，如圖14(c)中所示。在該過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化臺(tái)面形狀和熱氧化處理可以獲得相對(duì)平的表面。通過(guò)進(jìn)一步實(shí)施化學(xué)拋光(CMP)可以實(shí)現(xiàn)大約幾nm的平面度。
[0167] 接著，在制造的臺(tái)面形狀的表面上形成用來(lái)形成肖特基結(jié)的金屬層。具體地說(shuō)，通過(guò)反應(yīng)性腐蝕在半導(dǎo)體臺(tái)面的表面上以間隔d形成凹槽圖案62，如圖14(d)中所示，并且然后，堆疊金屬電極2，如圖14(e)中所示。更具體地說(shuō)，在其上形成了凹槽圖案62的半導(dǎo)體層1上沉積金屬層。然后，在凹槽圖案62上形成抗蝕劑圖案(未示出)。然后，通過(guò)利用Ar氣體團(tuán)簇離子的蝕刻去除除了覆蓋有抗蝕劑圖案的區(qū)域以外的區(qū)域中的金屬層，并且在凹槽圖案62中形成金屬電極2。結(jié)果，形成了其中金屬電極2被嵌入半導(dǎo)體層1中的結(jié)構(gòu)。形成在凹槽圖案62中的金屬電極2的距離d的調(diào)整使得能夠產(chǎn)生期望波長(zhǎng)的等離子體振子諧振，將MSM光電二極管的光接收效率改善了百倍或千倍。
[0168] 接著，如圖14(f)中所示，在已經(jīng)制造的MSM光電二極管上形成由SiO2等構(gòu)成的保護(hù)膜4，所述保護(hù)膜4顯示出可以忽略的光學(xué)吸收。當(dāng)在隨后的過(guò)程中形成在MSM光電二極管上的光限制結(jié)構(gòu)與MSM光電二極管光耦合時(shí)，保護(hù)膜4用作介質(zhì)層。保護(hù)膜4優(yōu)選具有λ/npas或以下的膜厚，其中λ是將要檢測(cè)的光波長(zhǎng)，并且npas是保護(hù)膜4的折射率。
[0169] 接著，如圖14(g)中所示，為了在保護(hù)膜4上形成產(chǎn)生表面等離子體諧振的光柵，通過(guò)反應(yīng)性腐蝕在保護(hù)膜4上形成周期性的凹槽63。然后，如圖14(h)中所示，通過(guò)濺射方法或氣相沉積方法沉積由Ag或Au構(gòu)成的金屬膜12，所述金屬膜12用作用來(lái)激發(fā)表面等離子體的介質(zhì)。在該情形下，為了改善所述Ag膜或Au膜的結(jié)晶度和光滑度，也能夠形成由Cr或Ti等制造的籽晶層。
[0170] 最后，如圖14(i)中所示，通過(guò)使用Ar氣體團(tuán)簇離子的蝕刻工藝在制造的光柵配置中心(在與金屬電極2相對(duì)的位置處)形成具有等于或小于波長(zhǎng)的尺寸的微小開(kāi)口14?？刮g劑掩?；蛴惭谀＃鏢iO2掩模，被用作掩模。此外，為了監(jiān)測(cè)蝕刻的量，在蝕刻儀器上安裝質(zhì)譜儀使得以0.1nm或小于0.1nm的精度檢測(cè)蝕刻的結(jié)束。
[0171] 描述用來(lái)制造MSM光電二極管的方法的實(shí)例，但是類(lèi)似的制造方法也可以應(yīng)用到根據(jù)第二或第三實(shí)例的p-i-n結(jié)。在第三實(shí)例的情形下，在圖14(e)中所示的步驟中，在其上形成了凹槽圖案的半導(dǎo)體層上沉積p電極層、n電極層和金屬層，使得p電極層或n電極層選擇性地沉積在每個(gè)凹槽中并且然后金屬層沉積在p電極層和n電極層上。
[0172] [實(shí)例5]
[0173] 圖15是設(shè)置有微小突出的光限制結(jié)構(gòu)的概念圖。如(a)中所示，通過(guò)等離子體振子產(chǎn)生偶極諧振的金屬突起15設(shè)置在微小開(kāi)口14中，所述微小開(kāi)口14形成在產(chǎn)生表面等離子體諧振的凸起/凹入部13的中心。金屬突起15從微小開(kāi)口14的周?chē)怀鲞M(jìn)入微小開(kāi)口14中。提供這種金屬突起配置允許光學(xué)能量被限制在光波長(zhǎng)的1/4或以下的區(qū)域內(nèi)，使得能夠進(jìn)一步減小與所述區(qū)域進(jìn)行光耦合的MSM結(jié)并且由此獲得大約100GHz的高速響應(yīng)。此外，如(b)和(c)中所示，金屬突起配置15也可以由至少一對(duì)彼此相對(duì)的金屬突起構(gòu)成。這大大改善了入射光對(duì)偏振的依賴(lài)性。
[0174] 在上述第一到第三實(shí)例中，除了Si以外的屬于IV族半導(dǎo)體的元素，例如Ge、SixGe1-x、SiGe，也可以用作半導(dǎo)體層。此外，也可以使用III-V族化合物粒子半導(dǎo)體例如GaN、GaAs、GaInAs、GaInP和InP。根據(jù)由帶隙和吸收系數(shù)確定的波長(zhǎng)限制選擇這些材料。在Si情形下的400到900nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)、在Ge情形下的400到1400nm范圍內(nèi)以及在生長(zhǎng)在InP上的InGaAs的情形下的1300到1600nm的范圍內(nèi)，獲得極好的光電二極管特性。
當(dāng)使用Ge時(shí)，根據(jù)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法或分子束外延方法，利用GOI(絕緣體上鍺)襯底代替SOI襯底或利用Si襯底，通過(guò)使Ge層以高結(jié)晶度而生長(zhǎng)來(lái)形成吸收層。眾所周知的是，Ge不適合形成肖特基結(jié)。因此，肖特基結(jié)優(yōu)選形成在NiGe合金層上，所述NiGe合金層通過(guò)在Ge上氣相沉積Ni等并且通過(guò)在大約400到600℃的溫度下實(shí)施退火來(lái)制造。
此外，通過(guò)在所述合金層上形成具有小的表面等離子體的傳播損耗的膜，例如Ag或Au，能夠改善與從微小開(kāi)口發(fā)出的光學(xué)近場(chǎng)耦合的效率。
[0175] [實(shí)例6]
[0176] 圖16是其中MSM光電二極管與光子晶體光波導(dǎo)耦合的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。利用設(shè)置有具有200到400nm厚度的Si層的SOI襯底形成光子晶體光波導(dǎo)。首先，用于電子束曝光的抗蝕劑被施加到襯底表面。接著，利用電子束曝光儀器形成具有以矩陣圖案設(shè)置的圓柱形孔的抗蝕劑圖案。抗蝕劑圖案具有200到240nm的孔直徑以及340到380nm的陣列間距。在形成抗蝕劑掩模之后，通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻方法在SOI襯底的Si表面層上形成與抗蝕劑掩模圖案中的所述孔具有相同形狀的圓柱形孔，并且然后去除抗蝕劑。
[0177] 眾所周知，周期性設(shè)置的孔形成光子帶隙，不允許關(guān)于對(duì)應(yīng)于所述帶隙的角頻率的光傳播模式。因此，如圖16中所示，通過(guò)利用其中這種光子帶隙被設(shè)置得鄰近線光波導(dǎo)的線缺陷型光子晶體波導(dǎo)20能夠?qū)⒐怆妶?chǎng)分布限制在等于或小于所述波長(zhǎng)的尺寸內(nèi)。
[0178] 圖17是示出另一個(gè)使用線缺陷型光子晶體光波導(dǎo)的光電二極管的結(jié)構(gòu)的示意圖，其中(a)是平面圖并且(b)是截面圖。通過(guò)利用蝕刻減薄Si層，并且通過(guò)利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積將減輕光柵變形的緩沖層25和由SiGe或Ge制成的用作光吸收層的選擇性生長(zhǎng)層24生長(zhǎng)在減薄的Si層上來(lái)形成MSM光電二極管。MSM光電二極管設(shè)置在光子晶體光波導(dǎo)20的端處。通過(guò)選擇性氣相外延方法控制SiGe層或Ge層的生長(zhǎng)結(jié)束的位置，使得光波導(dǎo)的所述端與MSM電極之間的距離等于或小于波長(zhǎng)以便允許MSM光電二極管與光子晶體線缺陷光波導(dǎo)20進(jìn)行光耦合。
[0179] 圖18示出當(dāng)輻射具有1330nm的波長(zhǎng)和1mW的功率的激光時(shí)光電流對(duì)偏置電壓的依賴(lài)性。雖然在所述光子晶體線缺陷光波導(dǎo)中存在波導(dǎo)損耗的影響，但是獲得了大約30％的量子效率。
[0180] [實(shí)例7]
[0181] 圖19是其中MSM光電二極管與通道型光波導(dǎo)耦合的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。通道型光波導(dǎo)具有由SiON制成的光波導(dǎo)芯26和具有與光波導(dǎo)芯26大不相同的折射率的包層27。通道型光波導(dǎo)制造如下。首先，如圖20(a)中所示，通過(guò)反應(yīng)性腐蝕蝕刻其上將要形成光波導(dǎo)的SOI襯底上的Si層(SOI層28)的一部分并且暴露將變成包層的SiO2層。接著，如圖
20(b)中所示，在其上堆疊將變成包層的SiO2層(保護(hù)層4)。然后，利用SiH4、NH3和O2通過(guò)等離子體CVD方法生長(zhǎng)SiON芯層29，使得所述芯和包層的折射率差變成5％或以上。然后，為了減小由O-H基或N-H基引起的吸收以改善結(jié)晶度，在700到1300℃進(jìn)行退火。接著，為了形成芯的形狀，通過(guò)反應(yīng)性腐蝕方法將SiON芯層29蝕刻成具有0.7到4μm的寬度的矩形形狀。隨后，通過(guò)利用由冒出大量Ar和O2的氣泡的TEOS(原硅酸四乙酯)的混合物制成的源氣體的等離子體CVD方法將用作上部包層的SiO2層生長(zhǎng)到大約幾μm的厚度。
這樣，獲得了光波導(dǎo)。
[0182] 接著，如圖20(c)中所示，以預(yù)定的角度蝕刻這樣形成的光波導(dǎo)29的端面，并且在從形成MSM光電二極管的位置測(cè)量為波長(zhǎng)的一半或以下的距離處形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被具有大約幾μm的斑直徑的MSM光電二極管照射。隨后，鄰近光波導(dǎo)層的SOI襯底上的Si層的表面受到反應(yīng)性腐蝕。這樣，MSM光電二極管被制造并且實(shí)現(xiàn)了與來(lái)自SiON光波導(dǎo)的光的耦合。
[0183] 圖21示出在輻射具有850nm的波長(zhǎng)以及1mW的功率的激光時(shí)光電流對(duì)偏置電壓的依賴(lài)性。因?yàn)镾iO2層形成在所述SiON光波導(dǎo)和MSM光電二極管之間以改善與所述MSM光電二極管的光耦合的效率，所以獲得了大約50％的量子效率。
[0184] [實(shí)例8]
[0185] 圖22是使用環(huán)型結(jié)構(gòu)的通道型光波導(dǎo)的光電二極管的概念圖。使用Si芯的通道型光波導(dǎo)設(shè)置有環(huán)型光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)30。光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)30設(shè)置在從使用由SiGe層制成的光吸收層的MSM光電二極管測(cè)量為λ/2或以下的距離處。使用這種光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)使得能夠?qū)⒐獾娜核贉p小到1/6或以下并且在具有1330nm的波長(zhǎng)的激光的情形下獲得70％或以上的量子效率。
[0186] [實(shí)例9]
[0187] 圖23是其上安裝了本發(fā)明的MSM光電二極管的40Gbps(每秒十億比特)傳輸光接收模塊的橫截面示意圖。光電二極管34是使用通過(guò)在SOI襯底上外延生長(zhǎng)Ge膜獲得的襯底并且通過(guò)在其上形成Au電極獲得的MSM光電二極管。在λ/2或以下的距離處布置設(shè)置有由Ag或Au制成的金屬周期性結(jié)構(gòu)的光限制結(jié)構(gòu)。在使用具有1.55μm的波長(zhǎng)的近紅外線的傳輸?shù)那樾蜗?，金屬周期性結(jié)構(gòu)的凸起/凹入間距為大約1.2μm。當(dāng)使用八個(gè)圓中的同心凸起/凹入結(jié)構(gòu)時(shí)，外周界的直徑變成大約20μm。所述凸起/凹入結(jié)構(gòu)的深度為大約0.1到0.4μm?？椎闹睆綖榇蠹s0.3到0.7μm。光電二極管34安裝在芯片載體38上并且通過(guò)光纖32以及透鏡進(jìn)行光耦合。光電二極管34也通過(guò)電配線36電連接到前置放大器IC37。
[0188] 通常，安裝在40Gbps光學(xué)接收器模塊內(nèi)部的光電二極管使用側(cè)入射型波導(dǎo)。這是因?yàn)槿绻諏泳哂行〉暮穸纫员銓?shí)現(xiàn)短的電荷載流子運(yùn)行時(shí)間，則其中光入射在半導(dǎo)體表面上的平面入射型不能獲得高的量子效率。另一方面，即使電荷載流子運(yùn)行時(shí)間短所述波導(dǎo)類(lèi)型也能獲得高的量子效率，因?yàn)樵擃?lèi)型吸收在吸收層的平面內(nèi)方向上的光。然而，40Gbps波導(dǎo)型設(shè)備的吸收層通常具有1μm或以下的厚度，并且在該情形下，相對(duì)于光纖的位置耦合容許偏差必須是大約±1μm。這對(duì)于封裝設(shè)計(jì)和制造成本都是大問(wèn)題。
[0189] 另一方面，根據(jù)本發(fā)明的光電二極管具有20μm的有效直徑，確保了±2μm或以上的耦合容許偏差。結(jié)果，僅利用簡(jiǎn)單的透鏡耦合就可以實(shí)現(xiàn)光耦合，并且這能夠?qū)崿F(xiàn)用于光學(xué)傳輸?shù)慕邮掌髂K的成本的降低。在使用1.55μm的波長(zhǎng)的傳輸?shù)那樾蜗拢趫D23中所示的根據(jù)本發(fā)明的40Gbps光學(xué)接收器模塊顯示出-12dBm的最小接收靈敏度，并且已經(jīng)確認(rèn)的是，據(jù)本發(fā)明的40Gbps光學(xué)接收器模塊在性能上與其上安裝了典型波導(dǎo)型光電二極管的40Gbps接收器模塊相當(dāng)。
[0190] [實(shí)例10]
[0191] 圖24是其上安裝了本發(fā)明的光電二極管的LSI芯片間光學(xué)互連模塊的橫截面示意圖。從光信號(hào)輸入纖維46發(fā)送的光信號(hào)通過(guò)凹鏡48照射在根據(jù)本發(fā)明的光電二極管34上。在850nm的光波長(zhǎng)的情形下，光電二極管34的半導(dǎo)體材料是Si。在該情形下，金屬周期性結(jié)構(gòu)的凸起/凹入間距是600到700nm。由Si制成的光電二極管進(jìn)一步使由金屬周期性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光學(xué)近場(chǎng)與MSM結(jié)光耦合，產(chǎn)生光電流，并且引起通過(guò)光電二極管配線層44與LSI42中的光學(xué)信號(hào)相應(yīng)的電流。此外，通過(guò)設(shè)置感生表面等離子體諧振的金屬周期性結(jié)構(gòu)，能夠確保凹鏡48和光電二極管34之間的位置耦合容許偏差為±1μm或以上。
[0192] 光電二極管配線層44電連接到LSI42的“用于光電二極管配線的通路孔41”。可替換地，除了光纖以外的眾所周知的方法例如平面光波導(dǎo)可以被用來(lái)輸入光學(xué)信號(hào)。此外，也可以使用除了凹鏡48以外的光集中機(jī)構(gòu)例如凸鏡。此外，也可以直接在光電二極管34之后沿光電二極管配線層設(shè)置用于放大電信號(hào)的前置放大器。
[0193] 通過(guò)“光源和調(diào)制電信號(hào)通路孔40”并且通過(guò)“光源和調(diào)制電配線層43”，由設(shè)置有電調(diào)制機(jī)構(gòu)的VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)光源39將由LSI42發(fā)送的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光學(xué)信號(hào)。所述光學(xué)信號(hào)被凹鏡48反射并且被發(fā)送到光學(xué)信號(hào)輸出纖維45。設(shè)置有電調(diào)制機(jī)構(gòu)的VCSEL光源39可以被其它已知的通過(guò)電調(diào)制光的機(jī)構(gòu)例如Mach-Zehnder型調(diào)制器替換，所述Mach-Zehnder型調(diào)制器通過(guò)電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)調(diào)制從外部光源發(fā)射的光。
[0194] 為了增加響應(yīng)，在20GHz或以上高速操作的典型LSI芯片間互連(inter-LSI-chip interconnection)使用安裝在內(nèi)部的光電二極管，其中所述光電二極管由生長(zhǎng)在InP襯底上的化合物半導(dǎo)體材料例如InGaAs等制成。化合物半導(dǎo)體是不利的，因?yàn)樗贿m合Si半導(dǎo)體設(shè)備的制造工藝并且增加成本。相反，根據(jù)本發(fā)明的光電二極管可以減少制造成本，因?yàn)樗褂肧i。事實(shí)上，根據(jù)本發(fā)明的所示光學(xué)互連在大約40GHz處表現(xiàn)出高速光電轉(zhuǎn)換操作。
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