提供一种实现发光二极管的感光灵敏度和快速性的装置构造。一种在半导体层的表面设置有导电层的肖特基势垒型的发光二极管，所述发光二极管构成为光能够从所述半导体层的背面侧入射，在所述发光二极管的肖特基接合部的周围形成有周期构造，该周期构造使从所述半导体层的背面侧入射的光产生表面等离子体共振。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种发光二极管。尤其涉及在信息处理和通信领域中 将需要的光(包括红外光)信号快速地转换为电信号的发光二极管。 并且，涉及使用所述发光二极管的光通信装置和光互连模块。
技术介绍
从成本和成品率方面考虑，将光检测器单片(Monolithic)集成电 路化颇具吸引力。在与CMOS电路相同的芯片上单片集成电路化的硅 感光器即硅发光二极管是复合感光器(例如在CMOS电路或GaAs电 路中接合的InGaAs发光二极管)的一种具有吸引力的替代物。期待单 片集成电路化的感光器能够使用标准的硅工艺制造出来，并能够以比 复合设计低的成本制造出来。可是，作为将光信号快速转换为电信号的方法多采用发光二极管。 其代表性产品是pin型发光二极管。pin型发光二极管具有将本征半导 体的i层夹在p型半导体的p层和n型半导体的n层之间的构造。并且， 在通过偏置电源施加逆偏置电压时，高电阻的i层几乎整个区域成为电 荷载流子的耗尽层。入射光的光子主要被i层吸收，生成电子-空穴对。 所产生的电子和空穴通过逆偏置电压在耗尽层内分别向相反方向漂移 而产生电流，并通过负荷电阻被检测为信号电压。作为限制该光电转 换的响应速度的因素，包括负荷电阻与耗尽层生成的电容之积所确定 的电路时间常数。并且，作为所述因素，包括电子和空穴通过耗尽层 所需要的载流子行进时间。另外，作为载流子行进时间较短的发光二极管有肖特基型发光二 极管。该肖特基型发光二极管具有半透明金属膜接触于半导体的n层(或n—层)的构造。在n层(或rT层)和半透明金属膜接触的界面附 近形成肖特基势垒。在该肖特基势垒附近，电子从半透明金属膜扩散 到n层(或n'层)而形成耗尽层。如果在该状态下照射入射光，则在n 层(或n'层)生成电子。该生成的电子通过逆偏置电压在耗尽层内漂 移。并且，可以有效利用元件表面层的光吸收。可是，pin型发光二极管由于光子吸收，需要使i层即耗尽层具有 足够的厚度。与此相对，肖特基型发光二极管可以使耗尽层变薄。因 此，肖特基型发光二极管可以縮短载流子行进时间。另外，关于pin型发光二极管，为了使耗尽层变薄，也在尝试采 用横向(Lateral)电极构造来縮小电极间隔(参照非专利文献l)。但 是，该方法在半导体表面层上的光吸收效率比较差。因此，虽然可以 实现快速化，但很难做到高灵敏度化。另一方面，如果为了缩短电路时间常数而缩小负荷电阻的值，则 提取的再生信号的电压下降。因此，为了增大再生信号的S/N且减小 读取错误，需要减小耗尽层的电容。尤其如果为了縮短载流子行进时 间而使耗尽层变薄，则电容增加。因此，为了快速化，需要减小耗尽 层(或者肖特基接合的面积)。但是，减小所述接合面积将使得信号 光的利用效率下降。结果，再生信号的S/N恶化。鉴于以上情况，在这种光电转换装置中，逐渐开展利用金属表面 等离子体或光子晶体构造来实现快速化、小型化的开发。例如，提出了在半导体的同一面上设置两个电极的金属/半导体/ 金属(MSM)装置(光检测器)(专利文献1)。该MSM型光检测器 是在两个电极附近具有肖特基势垒的肖特基型发光二极管的一种。艮口， 透射电极面的光的一部分被半导体层(半导体吸收层)吸收，并生成 光载流子。在这种MSM型光检测器中，如果为了提高量子效率而将半导体加厚，则光载流子的传播距离增大，所以动作速度下降。为了防 止这种动作速度的下降，在专利文献1记载的光检测器中沿着周期性 凹凸设置金属电极。由此，入射光与金属电极的表面等离子体有效结 合，并在光检测器内传播。另外，提出了制造将设于半导体上的金属膜的一部分氧化成光透射性绝缘膜的MSM型感光元件的方法(专利文献2)。另外，提出了一种MSM型感光元件(专利文献3)，其采用从位 于光透射性绝缘图案(图案宽度为透射光的波长以下的尺寸)两侧的 金属膜的端部产生的近场光。并且，记述了该MSM型感光元件的响应 速度是快速化的。另外，提出了使正极(金属电极)和负极(金属电极)以指交叉 型(嵌套型)的方式配置在半导体上的装置构造(专利文献4)。该专 利文献4公开了使入射光与透射光、反射光、表面等离子体极元等之 间通过谐振相结合的技术。另外，专利文献4记述了生成的光载流子 通过入射光与表面等离子体的接合而增强。但是，在这些感光元件中， 如果为了减小耗尽层的电容而减小入射光的照射面积，则检测信号的 强度下降，S/N下降。另外，提出了一种光电动势装置(利用太阳光能的光电动势装置)， 在将具有pn接合的多个球形状的半导体夹在中间的两个电极的一方上设置周期性排列的开口 (或凹部)(专利文献5)。该光电动势装置利 用了使表面等离子体和入射光共振的技术。但是，在该专利文献5中 没有记述为了光电转换的快速化而使耗尽层变薄并减小面积。另外，提出了一种在开口的周围设置周期性的槽列的光传输装置 (专利文献6)。并且，报告称设置了周期性的槽列的光传输装置与没 有周期性的槽列的光传输装置相比，传播的光增强。但是，公知透射的光的总能与入射光能相比衰减(文献:Tineke Thio,H丄Lezec, T.W.Ebbesen，K.M.Pellerin, G.D丄ewen, A.Nahata, R.A丄inke, " Giant optical transmission of sub-wavelength apertures: physics and applications," Nanotechnology，vol. 13, pp.429-432， Figure 4)。例如，在 直径为波长的40%以下的开口中透射的光的总能衰减为入射光能的1% 以下。因此，即使向感光元件照射来自该光传输装置的传播光，也不 能获得较高的S/N。另外，提出了一种把光吸收层设置成形成有光子带隙的多层膜构 造的MSM型感光元件(专利文献7)。并且报告称该MSM型感光元 件的感光效率高。但是，在这种构造中，也没有实现降低MSM接合中 的接合面积、减小元件电容。另外，提出了一种pin型发光二极管(使用InGaAs的pin型发光二极管)，在基板背面设置微型透镜，还设置将从背面入射的光在元 件表面的反射光再反射的反射镜(专利文献8)。并且报告称该发光二 极管改善了与外部光的光结合校准的公差，能够减小元件接合面积。 但是，在这种构造中，通过微型透镜聚光的光点直径为几十微米级别， 降低元件电容而实现高频响应是有限度的。非专利文献 1 : S丄Koester,G.Dehlinger,J.D.Schaub,J.O.Chu: Q.C.Ouyang,and A.Grill, " Geraianium-on-InsulatorPhotodetectors " ,2nd International Conference on GroupIV Photonics，FB 1 2005,(第172页、 图.3)专利文献l:日本特开昭59-108376号公报(第4-16页、图1-3) 专利文献2:日本专利第2666888号公报(第3-4页、图2) 专利文献3:日本专利第2705757号公报(第6页、图l) 专利文献4:日本特表平10-509806号公报(第26-33页、图l) 专利文献5:日本特开2002本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在半导体层的表面设置有导电层的肖特基势垒型的发光二极管，其特征在于， 所述发光二极管构成为光能够从所述半导体层的背面侧入射， 在所述发光二极管的肖特基接合部的周围形成有周期构造，该周期构造使从所述半导体层的背面侧入射的光产生 表面等离子体共振。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：藤方润一，冈本大典，牧田纪久夫，西研一，大桥启之，
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]
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