光电二极管及其制造方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。如附图说明图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-本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2004-4-5 111403/20041.一种光电二极管，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：大桥启之，石勉，马场寿夫，藤方润一，牧田纪久夫，
申请(专利权)人：日本电气株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]